Обмен веществ

Обмен веществ и энергии — основа процессов жизнедеятельно­сти организма. Обмен веществ — характерный признак всех жи­вых существ. Без обмена веществ жизнь невозможна. В организ­ме человека, его органах, тканях, клетках непрерывно образуются, разрушаются, обновляются клеточные структуры и различные сложные химические соединения.

Для построения новых клеток организма, их непрерывного обновления, для работы таких органов, как мозг, сердце, желу­дочно-кишечный тракт, дыхательный аппарат, почки и т. д., а так­же для совершения человеком работы нужна энергия. Эту энер­гию человек получает в процессе обмена веществ.

Источником энергии, необходимой для жизни, служат пита­тельные вещества, поступающие в организм.

Анаболизм и катаболизм. В процессе обмена веществ проис­ходят два противоположных и взаимосвязанных процесса: анабо­лизм и катаболизм. Анаболизмом называют реакцию биологиче­ского синтеза сложных молекул основных биологических соедине­ний, специфичных для данного организма, из простых компонен­тов, поступающих в клетки организма. Например, из аминокислот в процессе анаболизма образуются сложные полипептиды, или белки. Анаболизм является основой для построения структур, иду­щих на восстановление отмирающих клеток, формирования новых тканей в процессе роста организма, для синтеза клеточных со­единений, необходимых для жизнедеятельности клеток. Анаболизм требует затраты энергии.

Энергия для анаболических процессов поставляется реакция­ми катаболизма, при которых происходит расщепление молекул сложных органических веществ с освобождением энергии. Конеч­ные продукты катаболизма — вода, углекислый газ, аммиак, моче­вина, мочевая кислота и др.— недоступны для дальнейшего био­логического окисления в клетке и удаляются из организма.

Соотношение процессов анаболизма и катаболизма определяет три различных состояния: динамическое равновесие, рост, частичное разрушение структур тела. При динамическом равновесии, когда процессы анаболизма и катаболизма уравновеше­ны, общее количество ткани не изменяется. Превалирование ана­болических процессов приводит к накоплению ткани, происходит рост организма; преобладание катаболизма над анаболизмом приводит к разрушению ткани, уменьшению массы организма — его истощению. У взрослых обычно при нормальном состоянии орга­низма анаболические и катаболические процессы находятся в состоянии равновесия.

Рис.13. Схема соотношения анаболизма и катаболизма в условиях динамического роста и истощения

Основные этапы обмена веществ в организме. Химические превращения пищевых веществ начинаются в пищеварительном тракте. Здесь сложные вещества пищи расщепляются до более простых, способных всосаться в кровь или лимфу. Вещества, по­ступившие в результате всасывания в кровь или лимфу, приносят­ся в клетки, где и претерпевают основные изменения. Образовавшиеся сложные органические вещества входят в состав клеток и принимают участие в осуществлении их функций. Превращения веществ, происходящие внутри клеток, составляют существо вну­триклеточного, или промежуточного, обмена. Решающая роль во внутриклеточном обмене принадлежит многочисленным ферментам клетки. Ферменты представляют собой белки, которые действуют как органические катализаторы; сами ферменты в реакциях не участвуют, однако 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. При участии специальных ферментов осуществляются и другие типы химических реакций в клетке: таковы реакции переноса остатка фосфорной кислоты (фосфорилирование), ами­ногруппы NH₂ (переаминирование), группы метила СН₃ (транс­метилирование) и др. Освобождающаяся при этих реакциях энер­гия используется для построения новых веществ в клетке, на поддержание жизнедеятельности организма.

Конечные продукты внутриклеточного обмена частично идут на построение новых веществ клетки, а не используемые клеткой вещества удаляются из организма в результате деятельности ор­ганов выделения.

Энергетический метаболизм клеток (образование и превраще­ние энергии) происходит главным образом в митохондриях. В жидкой части клетки — цитоплазме растворены вещества, слу­жащие источником обменных процессов. Основным аккумулятором и переносчиком энергии, используемой при синтетических процес­сах, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Большая часть энергии, высвобождаемой при катаболических процессах, образуется в митохондриях при участии кислорода — это аэробные реакции. Кроме аэробных реакций в организме про­исходят анаэробные реакции, не требующие кислорода, они чаще происходят в цитоплазме клеток. Анаэробные процессы наиболее характерны для мышечной ткани.

Рис.14. Изменение интенсивности обмена покоя и относительных ежегодных приростов тела у детей 5-11 лет: 1 - обмен покоя у девочек; 2 - у мальчиков. Черные столбики – ежегодные относительные приросты у девочек; белые – у мальчиков

Энергетические затраты организма в условиях покоя, связанные с поддержанием минимального, необходимого для жизнедеятельности клеток уровня обменных процессов, назы­вают основным обменом. Основной обмен определяют у человека в состоянии мышечного покоя — лежа, натощак, т. е. через 12—16 ч после еды, при температуре окружающей среды 18—20°С (температура комфорта). У человека среднего возраста основ­ной обмен составляет 4187 Дж на 1 кг массы в час. В среднем это 7140—7560 тыс. Дж в сутки. Для каждого человека величина основного обмена относительно постоянна. Основной обмен у де­тей интенсивнее, чем у взрослых. У детей 8—9 лет основной об­мен в 2—2,5 раза больше, чем у взрослого. Динамика основного обмена с возрастом тесно связана с энер­гетическими затратами на рост. Энергетические затраты на рост тем больше, чем моложе ребенок. Так, расход энергии, связан­ный с ростом, в возрасте 3 месяцев составляет 36%, в возрасте 6 месяцев — 26%, 10 месяцев — 21% общей энергетической ценности пищи. В дошкольном и младшем школьном возрастах отмечается четкое соответствие интенсивности снижения основного обмена и динамики ростовых процессов: чем больше скорость относительного роста, тем значительнее изменения обмена покоя.

Величина основного обмена у девочек несколько ниже, чем у мальчиков. Это различие начинает проявляться уже во второй половине первого года жизни.

По изменению темпов ростовых процессов и интенсивности обмена девочки опережают мальчиков примерно на год.

Энергетическое обеспечение мышечной деятельности. Энергетика мышечного сокращения и ее возрастные особенности определяются соотношением различных источников энергии (аэробных и анаэробных). Анаэробные источники энергии в мышцах самые мощные, но очень быстро истощаются, они могут обеспечить ра­боту продолжительностью не более 2—2,5 мин. Аэробные источ­ники в мышцах более ограниченны по мощности, но могут быть использованы при работе умеренной интенсивности в течение дли­тельного времени.

Развитие мышечной энергетики в течение первых лет жизни идет за счет увеличения аэробных возможностей. Переломным эта­пом их формирования является возраст 6 лет, что связано с уси­лением развития митохондриального аппарата скелетных мышц. Возможности аэробных механизмов увеличиваются в младшем школьном возрасте, в особенности к 9—11 годам, что обеспечи­вает повышение естественной двигательной активности ребенка и развитие двигательных качеств. В 12 лет наступает новый пере­ломный период в развитии энергетики мышечного сокращения, связанный с возрастающей активностью гликолитических фермен­тов. Изменения энергетики мышечного сокращения обеспечивают увеличение физической работоспособности, абсолютные показате­ли которой возрастают. Чем тяжелее мышечная работа, тем больше энергии тратит человек. У школьников подготовка к уроку, урок в школе требуют энергии на 20—50% выше энергии основ­ного обмена.

При ходьбе затраты энергии на 150—170% превышают основной обмен. При беге, подъеме по лестнице затраты энергии пре­вышают основной обмен в 3—4 раза.

Тренировка организма значительно сокращает расход энергии на выполняемую работу. Это связано с уменьшением числа двига­тельных единиц, принимающих участие в работе, а также с изме­нением дыхания и кровообращения.

При механизации труда в сельском хозяйстве и промышлен­ности, внедрении машинной техники затраты энергии работаю­щими людьми снижаются. При умственном труде энергетические затраты ниже, чем при физическом.

Относительная величина общего суточного расхода энергии с возрастом уменьшается — с момента рождения и до взрослого со­стояния примерно в 3 раза.

Обмен белков и изменение с возрастом потребности организма в белках. Белки в обмене веществ занимают особое место. Ф. Эн­гельс так оценил эту роль белков: «Жизнь — это способ существо­вания белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что и приводит к разложению белка». И действительно, везде, где есть жизнь, находится белок — сложное вещество, в состав которого входит азот. Ни жиры, ни углеводы азота не со­держат, поэтому белки нельзя заменить никакими другими ве­ществами.

Белки 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,— белки.

Продукты расщепления белков в пищеварительном тракте — аминокислоты всасываются в кровь, из этих аминокислот синте­зируются белковые структуры организма. Аминокислоты, идущие на построение белков организма, неравноценны. Некоторые амино­кислоты (лейцин, метионин, фенилаланин и др.) незаменимы для организма. Если в пище отсутствует незаменимая 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 нормального синтеза белка организма, называют полноценными. К ним относят преимущественно животные белки. 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.

С жирами в организм поступают растворимые в них витамины (витамины A, D, 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 (80—100 г в сутки).

Конечные продукты обмена жиров — углекислый газ и вода.

В организме ребенка первого полугодия жизни за счет жиров покрывается примерно на 50°/о потребность в энергии. Без жиров невозможна выработка общего и специфического иммунитета. Обмен жиров у детей неустойчив, при недостатке в пище углево­дов или при усиленном их расходе быстро истощаются депо жира.

Всасывание жиров у детей идет интенсивно. При грудном вскармливании усваивается до 90% жиров молока, при искусст­венном—85—90%; у старших детей жиры усваиваются на 95—97 %.

Для лучшего использования жира в пище детей должно быть достаточно и углеводов, так как при дефиците углеводов в пита­нии происходит неполное окисление жиров и в крови накапли­ваются кислые продукты обмена.

Потребность организма в жирах на 1 кг массы тела тем вы­ше, чем меньше возраст ребенка. С возрастом увеличивается аб­солютное количество жира, необходимое для нормального разви­тия детей.

Обмен углеводов. Углеводы яв­ляются основным источником энергии. Наибольшее количество углеводов содержится в злаках, картофеле. Богаты углеводами также овощи и фрукты. Расщепившись в пищеварительном тракте до глюкозы, углеводы всасываются в кровь и усваиваются клет­ками организма. Неиспользуемая глюкоза в печени синтезируется в гликоген — полисахарид, откладывающийся в печени и мышцах и являющийся резервом углеводов в организме. При отсутствии углеводов в пище они могут вырабатываться из продуктов распа­да белков и жиров. Особенно чувствительной к снижению уровня глюкозы в крови (глипогликемии) является центральная нерв­ная система. Уже незначительное снижение сахара в крови вызы­вает слабость, головокружение, при значительном падении угле­водов наступают разные вегетативные расстройства, судороги, по­теря сознания.

Распад углеводов с освобождением энергии может идти как в бескислородных условиях, так и в присутствии кислорода. Конечные продукты обмена углеводов — углекислый газ и вода.

Углеводы обладают способностью быстро распадаться и окисляться. Быстрота распада глюкозы и возможность быстрого извлече­ния и переработки ее резерва — гликогена создают условия для экстренной мобилизации энергетических ресурсов при резком эмо­циональном возбуждении, интенсивных мышечных нагрузках.

При сильном утомлении во время продолжительных спортив­ных соревнований прием нескольких кусочков сахара улучшает состояние организма.

Значение глюкозы для организма не исчерпывается ее ролью как источника энергии. Она входит в состав нуклеиновых кислот, в состав цитоплазмы и, следовательно, необходима для образо­вания новых клеток, особенно в период роста.

В детском организме, в период его роста и развития, углеводы выполняют не только роль основных источников энергии, но и важную пластическую роль при формировании клеточных оболочек, вещества соединительной ткани. Углеводы участвуют в окис­лении продуктов белкового и жирового обмена, чем способствуют поддержанию кислотно-щелочного равновесия в организме.

Интенсивный рост детского организма требует значительных количеств пластического материала — белков и жиров. Поэтому у детей образование углеводов из белков и жиров ограниченно.

Суточная потребность в углеводах у детей высокая и состав­ляет в грудном возрасте 10—12 г на 1 кг массы тела. В после­дующие годы потребное количество углеводов колеблется от 8—9 до 12—15 г на 1 кг массы. От 1 до 3 лет в сутки ребенку надо дать с пищей в среднем 193 г углеводов, от 4 до 7 лет — 287 г, от 9 до 13 лет — 370 г, от 14 до 17 лет — 470 г, взрослому — 500 г.

Водно-солевой обмен. Значение воды и минеральных солей в процессе роста и развития ребенка. Хотя ни вода, ни минераль­ные соли не являются источниками энергии, их поступление и выведение из организма является условием его нормальной жиз­недеятельности. Ведь все превращения веществ в организме со­вершаются в водной среде. Вода растворяет пищевые вещества, поступившие в организм вместе с минеральными веществами, она принимает участие в построении клеток и во многих реакциях обмена. Вода и минеральные соли являются основной составной частью плазмы крови, лимфы и тканевой жидкости, создают в основном внутреннюю среду организма. Вода участвует в регуля­ции температуры тела, испаряясь, она предохраняет тело от пере­грева. Все пищеварительные соки содержат воду и минеральные соли. Вода составляет большой процент массы тела (у взрослого человека примерно 65%, у детей 75—80%). Особенно велико со­держание воды в крови (92%). Человек без воды может сущест­вовать значительно меньше времени, чем без пищи,— всего не­сколько дней. При нормальной температуре окружающей среды и нормальном пищевом режиме потребность воды у взрослого че­ловека составляет 2—2,5 л. Это количество воды поступает из следующих источников: 1) воды, потребляемой при питье (около I л); 2) воды, содержащейся в пище (около 1 л); 3) воды, ко» топая образуется в организме при обмене белков, жиров и угле­водов (300—350 см³).

Основные органы, удаляющие воду из организма,— почки, по­товые железы, легкие и кишечник. Почками за сутки из организ­ма удаляется 1,2—1,5 л воды в составе мочи. Потовыми железа­ми через кожу в виде пота удаляется 500—700 см³ воды в сутки. При нормальной температуре и влажности воздуха на 1 см² кожного покрова каждые 10 мин выделяется около 1 мг воды.

Легкими в виде водяных паров выводится 350 см³ воды. Это количество резко возрастает при углублении и учащении дыхания, и за сутки тогда может выделиться 700—800 см³ воды.

Через кишечник с калом выводится в сутки 100—150 см³ во­ды. При расстройстве деятельности кишечника может выводиться большее количество воды (при поносе), что приводит к обедне­нию организма водой. Для нормальной деятельности организма важно, чтобы поступление воды в организм полностью покрывало расход ее. Если воды выводится из организма больше, чем поступает в него, возникает чувство жажды. Отношение количества потреб­ленной воды к количеству выделенной составляет водный баланс. Организм ребенка быстро теряет и быстро накапливает воду. Потребность в воде на 1 кг массы тела с возрастом уменьшается, а абсолютное количество ее возрастает. Трехмесячному ребенку требуется 150—170 г воды на 1 кг массы, в 2 года — 95 г, в 12—13 лет — 45 г. Суточная потребность в воде у годовалого ре­бенка 800 мл, в 4 года — 950—1000 мл, в 5—6 лет—1200 мл, в 7—10 лет—1350 мл, в 11 —14 лет—1500 мл.

Организм нуждается в постоянном поступлении минеральных солей. Минеральные вещества необходимы для нормального функ­ционирования организма. Так, с наличием минеральных веществ, содержащих натрий, калий, хлор, связано явление возбудимости— одно из основных свойств живого. Рост и развитие костей, мышц зависят от содержания минеральных веществ. 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.У новорожденного минеральные вещества составляют 2,55% от массы тела, у взрослого — 5%. Они оказывают большое влияние на развитие ребенка. С кальциевым и фосфорным обменом связа­ны рост костей, сроки окостенения хрящей и состояние окисли­тельных процессов в организме. Кальций влияет на возбудимость нервной системы, сократимость мышц, свертываемость крови, белковый и жировой обмен в организме. Фосфор нужен не только для роста костной ткани, но и для нормального функционирования нервной системы, большинства железистых и других органов.