10151 (Обмен веществ и энергии)

Реферат

«Обмен веществ и энергии. Витамины»

Обмен веществ является главным, характерным свойством живого организма. Сущность его состоит в постоянном обмене веществами между организмом и внешней средой.

Животные организмы нуждаются в постоянном притоке кислорода, сложных органических соединений: белков, жиров и углеводов, а также минеральных солей, витаминов и воды. В организме непрерывно происходят образование, разрушение и обновление клеточных структур и межклеточного вещества. Восстановление, синтез (созидание), усвоение веществ клетками, превращение в себе подобное называется процессом ассимиляции. Одновременно с ним происходит процесс диссимиляции — расщепление, распад веществ, входящих в состав клеток. При этом образуются конечные продукты распада СО₂, Н₂О и NH₃ (аммиак), которые удаляются из организма. Совокупность всех химических превращений в организме, т. е. процессов ассимиляции и диссимиляции, называют обменом веществ.

1. Обмен энергии

Для жизнедеятельности организма необходима энергия. Она освобождается в процессе диссимиляции сложных органических соединений: белков, жиров и углеводов, потенциальная энергия которых при этом переходит в кинетические виды энергии, в основном в тепловую, механическую и частично в электрическую. Расщепление идет путем присоединения кислорода — окисления. При окислении 1 г жира в организме выделяется 9,3 ккал тепла, 1 г углеводов — 4,1 ккал, 1 г белка — 4,1 ккал. То количество тепла, которое выделяется при окислении в организме 1 г вещества, называется теплотой сгорания. Часть освобождающейся энергии используется для синтетических процессов — восстановления изнашиваемых и построения новых клеток и тканей, часть потребляется в процессе функционирования органов и тканей: сокращения мышц, проведения нервных импульсов, синтеза ферментов и гормонов и др. Большая часть химической энергии переходит в тепло, которое идет на поддержание постоянной температуры тела.

Основной обмен. Обмен энергии человека, или так называемый общий обмен, складывается из основного обмена и рабочей прибавки. Если человек находится в состоянии возможного полного мышечного покоя: лежа с расслабленной мускулатурой, натощак (через 14 ч после последнего приема пищи), при температуре комфорта (18—22°С), то расход энергии составляет примерно 1700 ккал в сутки и называется основным обменом. В условиях основного обмена энергия расходуется на поддержание жизнедеятельности организма, работу внутренних органов (сердце, дыхательный аппарат и др.), а также на поддержание температуры тела. Основной обмен характеризует интенсивность процессов окисления, свойственных данному организму. Величина его зависит от пола, возраста, массы тела и роста. У женщин основной обмен на 5—10% ниже, чем у мужчин тех же массы и роста. У детей он выше, чем у взрослых. К старости основной обмен снижается.

Основной обмен нарушается при заболевании эндокринных желез. При гиперфункции щитовидной железы (базедова болезнь) он может повышаться до 150%, при этом человек много ест, но неудержимо худеет; при недостаточности гипофиза основной обмен понижается — наступает гипофизарное ожирение. На основной обмен влияют также половые гормоны; после удаления половых желез (например, у кабанов) усиливается отложение жира.

В клинике для определения основного обмена пользуются простым и быстрым способом Крога. Так как освобождение энергии происходит при окислении кислородом белков, жиров и углеводов, то количество образовавшегося тепла пропорционально объему поглощенного кислорода. В опытах установлено, что при потреблении 1 л О₂ в организме животных и человека освобождается 4,8 ккал тепла. Это количество тепла является калорическим коэффициентом О₂. Если определить объем потребленного испытуемым О₂, то, помножив его на 4,8 (калорический коэффициент О₂), можно рассчитать расход энергии за 1 мин, за 1 ч и за сутки.

Рабочая прибавка. Повышение энергетического обмена сверх основного обмена называют рабочей прибавкой. Факторами, повышающими расход энергии, являются прием пищи, низкая или высокая (выше 30°С) внешняя темпера тура и мышечная работа.

Прием пищи увеличивает расход энергии в покое в среднем до 2200 ккал (белки до 30%, углеводы и жиры на 4—15%). Эта способность пищи повышать энергозатраты называется специфически динамическим действием пищи. Механизм его до сих пор неясен, однако его нельзя объяснить только работой пищеварительного тракта.

При понижении окружающей температуры возрастает теплоотдача тела и соответственно увеличивается выработка тепла, необходимого для сохранения постоянства температуры тела. Если окружающая температура выше 30°С, энергия расходуется на охлаждение тела (потоотделение, усиление кожного кровообращения). Мышечная работа значительно увеличивает расход энергии.

Умственный труд не сопровождается большой затратой энергии. Если спокойно лежащего человека заставить решать в уме трудные математические задачи, то расход энергии возрастет всего на несколько процентов. Таким образом, общий расход энергии зависит от профессии человека и характера его отдыха (занятия спортом, туризмом). Люди умственного труда расходуют около 3000 ккал в сутки, а выполняющие тяжелую мышечную работу (грузчики, пильщики) — свыше 4000 ккал. При спортивных состязаниях (велогонки, плавание) расход энергии может достигать 7000 ккал.

1. Обмен веществ

Для определения потребности человека в питательных веществах изучают его обмен веществ. Это имеет большое значение, так как часть населения (в армии, детских учреждениях, санаториях, домах отдыха, больницах) находится на государственном обеспечении и должна получать все необходимые продукты, чтобы быть здоровой, обладать высокой работоспособностью, высокой сопротивляемостью к инфекциям и изменяющимся условиям внешней среды.

Для изучения обмена веществ необходимо знать, сколько белков, жиров и углеводов поступило в организм и сколько им расходуется, т. е. надо подвести баланс прихода и расхода веществ. Приход питательных веществ определяют химическим анализом пищи. Если из общей массы (в граммах) принятых с пищей белков, жиров и углеводов вычесть массу неусвоенных веществ, выведенных с калом, то разница покажет истинный приход веществ. Расход веществ у человека или животных определяют в камере Шатерникова. Метод позволяет определить за сутки объем потребляемого О₂, выделенных СО₂ и N₂ (с мочой). По этим данным можно рассчитать расход белков, жиров и углеводов.

Баланс может быть положительным, отрицательным или находиться в состоянии равновесия. В период роста баланс обмена веществ всегда бывает положительным, так как увеличивается масса тела. Отрицательный баланс наблюдается во время длительной болезни и голодания, иногда в старости. В это время организм расщепляет веществ больше, чем получает с пищей. У большинства взрослых людей достигается удивительное равновесие между потреблением и расходом веществ и энергии. Оно может сохраняться на протяжении многих лет, и масса тела остается постоянной.

Обмен белков. Белки — это сложные высокомолекулярные соединения, содержащие в отличие от жиров и углеводов азот. Они состоят из 20 различных аминокислот, не обладающих видовой специфичностью. Из всосавшихся в кишечнике аминокислот строятся специфические для каждого индивидуума белки.

Аминокислоты делятся на заменимые и незаменимые. Заменимые аминокислоты (гликокол, аланин, цистеин и др.) могут синтезироваться в организме. Десять незаменимых аминокислот (аргинин, лейцин, лизин, триптофан и др.) не синтезируются в организме и обязательно должны поступать с пищей. Наиболее полноценными по аминокислотному составу продуктами являются белки яйца, молока, мяса. Белки растительного происхождения биологически менее полноценны, так как в них либо мало некоторых незаменимых аминокислот, либо они отсутствуют. В распоряжении организма должны быть все аминокислоты в определенном соотношении и количестве, иначе белок не может быть синтезирован.

Белки являются основным пластическим материалом, т. е. основной частью клетки. Например, в скелетных мышцах содержится 20 % белка. Белки входят в состав ферментов, катализирующих (ускоряющих) все химические реакции в организме. Они принимают участие в обеспечении большинства функций организма. Так, гемоглобин переносит О₂ и СО₂, фибриноген обусловливает свертывание крови, нуклеопротеиды обеспечивают передачу наследственных признаков. Велико значение белков в водном обмене. Ф. Энгельс определял жизнь как форму существования белковых тел, существеннейшей чертой которой является обмен веществ.

В цитоплазме клеток непрерывно происходят разрушение и замена белков. Всего за сутки у человека, не принимающего пищи, разрушается примерно 23 г белка и выделяется при этом 3,7 г азота (100 г белка содержат в среднем 16 г азота). У человека, получающего с пищей белок, выделяется азота значительно больше, причем чем больше вводится белка, тем больше его разрушается. Это объясняется тем, что в отличие от жиров и углеводов белок не может откладываться в запас. Для характеристики белкового обмена и расчета потребностей организма в белке обычно пользуются определением азотистого баланса, для чего необходимо знать количество поступившего белка и количество расщепленного в организме, т. е. установить и сопоставить приход и расход белка.

Белок поступает с пищей, а неусвоенная его часть выводится с калом. Следовательно, если из количества белка в пище вычесть белок, содержащийся в кале, то разность составит приход белка.

Количество белка, распавшегося в организме, определяют по содержанию азота в моче. Известно, что в 6,25 г белка содержится 1 г азота. Умножая количество азота в моче на 6,25, рассчитывают расход белка. Нормальным считается такое состояние белкового обмена, когда разница между количеством азота, принятым с пищей и выведенным с калом, равна содержанию азота в моче, т. е. когда количество усвоенного белка соответствует массе белка, распавшегося в организме. Такое состояние называется азотистым равновесием. Оно устанавливается в том случае, если в пище содержится не менее 60—70 г белка. Это минимальное количество белка, или азотистый минимум, однако оно не обеспечивает высокой работоспособности и полного здоровья. Для этого необходимо примерно 100 г белка в сутки — это белковый оптимум. Потребность в белках значительно больше у растущего организма, при беременности, а также после тяжелой болезни. Потребность в белках зависит также от профессии и климатических условий.

Для взрослого потребность в белке составляет 1,5 г на 1 кг массы тела, для ребенка грудного возраста — 3,0—3,5 г, для ребенка 10 лет —2,5 г.

Центральная нервная система регулирует белковый обмен, влияя на образование и выделение в кровь гормонов. На белковый обмен оказывают влияние соматотропный гормон, секретируемый передней долей гипофиза, гормон щитовидной железы тироксин и глюкокортикоиды коркового вещества надпочечников.

Обмен углеводов. Углеводы делятся на простые и сложные. С пищей поступают главным образом сложные углеводы: полисахариды — крахмал, гликоген и дисахариды — молочный, свекловичный, тростниковый и другие сахара. При их расщеплении в пищеварительном тракте образуются простые моносахариды: глюкоза, фруктоза и галактоза, имеющие формулу С₆Н₁₂О₆, которые всасываются из кишечника в кровь.

В организм углеводы поступают главным образом с растительной пищей (хлеб, крупы, овощи, фрукты). При избыточном питании углеводы превращаются в жиры и откладываются в неограниченных количествах в жировых депо: подкожной клетчатке, сальнике и др.

В крови углеводы содержатся в виде глюкозы (4,44— 6,66 ммоль/л, или 80—120 мг %); в печени и мышцах — в виде небольших запасов гликогена. Состояние, когда уровень сахара в крови становится ниже 4,44 ммоль/л, называют гипогликемией, выше 6,66 ммоль/л — гипергликемией. При гипогликемии нарушается функциональное состояние нервных клеток и появляются слабость, чувство голода, понижается работоспособность. Если гипогликемия продолжается длительное время, то человек теряет сознание и может наступить смерть. В случае, если человек примет одномоментное 150—200 г легкоусвояемых углеводов (сахар, конфеты), возникает так называемая алиментарная (пищевая) гипергликемия, которая сопровождается глюкозурией — появлением сахара в моче; избыток сахара выводится почками.

Всосавшиеся в кишечнике моносахариды с током крови через воротную вену попадают в печень. Здесь часть их превращается в гликоген и откладывается про запас. Кроме печени, гликоген откладывается в скелетных мышцах. Всего в запасе организма имеется около 350 г гликогена. Если в крови, например, во время работы или голодания понижается уровень сахара, в ответ происходит расщепление гликогена в печени и поступление его в кровь. Процесс образования и отложения гликогена регулируется гормоном поджелудочной железы инсулином. Процесс расщепления гликогена происходит под влиянием второго гормона поджелудочной железы — глюкагона.

При заболевании поджелудочной железы образование гликогена уменьшается, сокращается и усвоение глюкозы клетками организма, в результате чего значительно повышается уровень сахара в крови и большое количество его выводится с мочой. Такое заболевание называется диабетом, его лечат введением инсулина.

Содержание сахара в крови, а также запасы гликогена регулируются центральной нервной системой. Впервые это было открыто французским ученым Клодом Бернаром. Он сделал кролику укол в дно IV желудочка (продолговатый мозг) и обнаружил после этого повышение уровня сахара в крови и появление его в моче. Таким образом впервые было показано наличие в продолговатом мозге нервных центров, регулирующих жизненно важную константу крови — уровень сахара. В настоящее время такого рода центры обнаружены также в под бугорной области (в промежуточном мозге). Высшие центры находятся в коре полушарий большого мозга.

Нервные влияния от центров углеводного обмена проводятся к органам по вегетативной нервной системе. В частности, импульсы, идущие от центров по симпатическим нервам, непосредственно усиливают расщепление гликогена в печени и мышцах, а также выделение гормона мозгового вещества надпочечников — адреналина. Адреналин способствует превращению гликогена в глюкозу и усиливает окислительные процессы в клетках. В регуляции углеводного обмена принимают участие также гормоны коры надпочечников, передней доли гипофиза, а также щитовидной железы.

Обмен жиров (липидов). Под липидами понимают сложные органические вещества, к которым относятся нейтральные жиры, состоящие из глицерина и жирных кислот, и близкие к ним по физико-химическим свойствам липоиды (лицетин, холестерин). В состав липоидов, кроме жирных кислот, входят многоатомные спирты, фосфаты и азотистые соединения.

Жир в организме играет пластическую и энергетическую роль. Как пластический материал он входит в состав оболочки и цитоплазмы клеток. Часть жиров накапливается в клетках жировой ткани как запасной жир, количество которого составляет 10—30 % от массы тела, а при нарушениях обмена веществ может достигать огромных величин.

Жир в организме используется и как энергетический материал. При окислении 1 г жира выделяется 9,3 ккал тепла, т.е. в 2,2 раза больше, чем при окислении 1 г углеводов или белка.