Обмен веществ и энергии. Белковый, углеводный, жировой, солевой и водный обмены

Обмен веществ и энергии это совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих в жилых организмах, и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ энергии представляет собой основу жизнедеятельности и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от неживого. В процессе обмена поступившие в организм вещества путем химических изменений превращаются в собственные вещества тканей и в конечные, продукты, которые выводятся из организма. При этих химических превращениях освобождается и поглощается энергия. Обмен веществ представляет собой высокоинтегрированный и целенаправленный процесс, в котором участвует множество ферментных систем и который обеспечен сложнейшей регуляцией на разных уровнях.

Таким образом, между организмом и окружающей его средой непрерывно происходит обмен веществ и энергии. В этой цепи сложнейших превращений вещества и энергии в организме различают две стороны: ассимиляцию и диссимиляцию.

Ассимиляция это образование в клетках организма свойственных ему веществ из тех, которые поступают в него из внешней среды. При ассимиляции организм не только усваивает органические соединения, но и накапливает находящуюся в них энергию.

Диссимиляция — процесс противоположный ассимиляции. Диссимиляция это распад и окисление органических соединений, в клетках организма с освобождением энергии, которая используется в процессе жизнедеятельности. Именно при диссимиляции происходит превращение энергии и перенос ее к участкам клеток, где она расходуется. Диссимиляция обусловливает различные виды деятельности органов, в том числе, и процессы ассимиляции.

Процессы ассимиляции и диссимиляции неотделимы один от другого. Непрерывный распад и окисление органических соединений возможны лишь тогда, когда количество этих веществ в клетках все время пополняется, значит, диссимиляция не может происходить без ассимиляции. Ассимиляция без диссимиляции тоже невозможна. Так, при образовании белков в клетке между молекулами аминокислот возникают химические связи. На образование этих связей расходуется значительная часть энергии, освобождающейся в клетке при диссимиляции. Таким образом, ассимиляция и диссимиляция это две противоположные друг другу, но неразрывно связанные между собой стороны единого процесса — обмена веществ и энергии в живом организме.

Организм в целом и каждая клетка в отдельности могут сохранять свою структуру и нормальную жизнедеятельность лишь благодаря непрерывному потреблению энергии. Как только прекращается поступление и превращение энергии, структура клетки распадается и ее жизнедеятельность заканчивается. Энергию клетка получает в основном при расщеплении углеводов и жиров. Процесс этот происходит в особых включениях цитоплазмы — митохондриях — энергетических станциях клеток. В них происходит, в результате расщепления углеводов (глюкозы), образование сложного вещества — аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). За счет синтеза АТФ клетка получает 55% энергии, образующейся при окислении глюкозы.

Определение количества энергии, расходуемой организмом, производят следующим образом. Известно, что во время деятельности организма, например, при физической работе, в нем происходит ряд сложных превращений энергии. В результате он нагревается. Но тело постоянно отдает избыток тепла в окружающую среду через всю поверхность кожи. Этим свойством организма пользуются для того, чтобы узнать, сколько энергии человек затрачивает в сутки. Испытуемого помещают в специальную камеру с двойными стенками из теплоизолирующего материала, устроенную по принципу калориметра. Чтобы человек в камере мог нормально дышать, в нее подают воздух, а углекислый газ улавливают специальными поглотителями. В верхней части камеры находится система извитых труб, через которые протекает вода. Температура воды, поступающей в эту систему и вытекающей из нее, измеряется термометрами. Зная общее количество воды, прошедшей через трубы в течение суток, и разность температуры поступившей и удалившейся воды, нетрудно определить суточный расход энергии человеческого организма.

Белковый обмен в организме происходит постоянно. Белки в организме могут строиться только из поступающего с пищей белка. Аминокислоты всасываются из тонкой кишки в кровь, которая несет их ко всем органам тела. Через наружную мембрану клеток аминокислоты проникают в них. В каждой клетке происходит образование свойственных ей белков. Объединение молекул аминокислот в крупные белковые молекулы происходит под действием внутриклеточных ферментов. В последние годы установлено, что процессы построения белков из молекул аминокислот совершаются в клеточных органоидах — рибосомах. Тот порядок, в котором аминокислоты соединяются между собой, зависит от структуры ДНК* и РНК**, содержащихся в клетках. Постоянные изменения белков обусловливают жизненные процессы, протекающие в каждой клетке, в каждом органе, во всем организме в целом. О скорости белкового обмена судят по обмену азота. Определяя количество азота, введенного с пищей и выведенного из организма, устанавливают суточный азотный баланс. Если количество вводимого и выводимого азота одинаково, говорят об азотном равновесии.

Пища человека должна содержать столько белка, сколько его нужно для удовлетворения потребностей организма, в зависимости от возраста, пола и профессии. В среднем считается достаточным ежедневное потребление белка в пределах 120 г (мясо, рыба, молоко, творог и т. д.). Белки — «строительный материал», хотя они могут быть использованы организмом и как источник энергии.

Углеводы — основной источник энергии в организме. Они входят в состав цитоплазмы и ядра клеток.

Углеводы расщепляются в органах пищеварения до глюкозы, которая всасывается в кровь. С током крови глюкоза попадает в печень, причем часть всосавшихся углеводов отлагается в печени в виде животного крахмала — гликогена. Когда содержание глюкозы в крови падает ниже нормы, часть гликогена превращается в глюкозу, которая попадает в кровяное русло. Таким образом, поддерживается постоянное содержание глюкозы в плазме крови (у здорового человека концентрация; глюкозы в крови строго постоянна — 80—120 мг в 100 г крови).

Жиры это в первую очередь энергетический материал. В одном г жиров содержится в два раза больше энергии, чем в одном г углеводов. В пищеварительном тракте жир расщепляется на жирные кислоты и глицерин. Проходя через слизистую оболочку кишечника и всасываясь в кровь, они вновь соединяются друг с другом и образуют новый, свойственный данному организму жир, который откладывается в так называемых «жировых депо» — в подкожной клетчатке, в области таза и т. д. Их запасы используются в организме при недостатке питания.

Если жир полностью исключить из пищи, организм будет синтезировать его из белков и углеводов.

Таким образом, питательные вещества — белки, жиры и углеводы— необходимые участники обмена веществ. Важно отметить, что для сохранения здоровья и работоспособности человека необходимо, чтобы получаемая им пища ежедневно полностью возмещала то количество энергии, которое он затрачивает в течение суток.

Минеральные соли также являются важными участниками обмена веществ в клетках. Различные соли входят в состав клетки, без них обмен веществ нарушается. Необходимо отметить, что в организме нет большого запаса солей, поэтому необходимо обеспечивать их регулярное поступление с пищей.

Больше других солей употребляется поваренная соль, она состоит из натрия и хлора. Натрий участвует в регулировании количества воды в организме, а хлор, соединяясь с водородом, образует соляную кислоту желудочного сока.

Калий — важный элемент, содержащийся в клетках, он необходим для поддержания нормальной возбудимости нервной мышечной тканей. Вместе с натрием он способствует регулированию содержания воды в тканях.

Соли кальция и фосфора нужны для нормального развития костной ткани. Для всех клеток необходимо регулярное поступление в организм солей магния.

Железо входит в состав гемоглобина, фтор — в состав зубной эмали, иод необходим для образования гормона щитовидной железы — тироксина.

Для нормальной деятельности организма нужны также сера, медь, марганец, цинк и др. микроэлементы.

Вода участвует во всех обменных процессах. Все питательные вещества и соли могут всосаться в кровь только будучи растворенными в воде. Все химические процессы в клетках вообще возможны лишь в присутствии воды. Если без пищи человек может прожить 30—40 дней, то без воды — только 4—5.

Вода — важнейшая часть человеческого организма, она составляет 65% веса, а у детей — даже 80%. Вода участвует в регуляции температуры тела: выделяясь с потом, она испаряется, и охлаждая тело, предохраняет его от перегревания. Потребность в воде в среднем составляет 2—2, 5 литра в сутки. Выводится вода из организма почками, потовыми железами и легкими. Количество выпитой и выделенной воды у здорового человека примерно одинаково.

Витамины — особые органические вещества, жизненно необходимые организму. Они входят в состав тканевых ферментов и таким путем участвуют в обменных процессах. В настоящее время известно около 30 витаминов.

В разнообразной пище, приготовленной из свежих натуральных продуктов, обычно содержится достаточное количество витаминов. Длительное отсутствие в пище какого-либо витамина приводит к заболеванию, называемому авитаминозом, недостаточное поступление витаминов — к болезненному состоянию — гиповитаминозу. Явления витаминной недостаточности могут наблюдаться и при достаточном содержании витаминов в пище, если нарушено их всасывание, например, при заболеваниях органов пищеварительной системы.

Витамин А оказывает влияние на рост организма, а также на состояние эпителиальных тканей. При авитаминозе А наблюдаются болезненные изменения эпителия роговицы глаза, эпителия кожи, кишечника, дыхательных путей и других органов.

Витамин Д влияет на обмен фосфора и кальция, он содержится в больших количествах в печени, сливочном масле, молоке, рыбьем жире. При отсутствии витамина Д у детей возникает рахит (задержка развития и роста ребенка, искривление костей и т. д.).

Витамин К участвует в процессе свертывания крови, он содержится в капусте, салате, моркови и т. д. При авитаминозе К наблюдается снижение способности крови к свертыванию и связанные с этим кровоточивость и кровоизлияния.

Витамин В — это группа витаминов. К ним относится витамин В₁ влияющий на обмен веществ. При недостаточности этого витамина развивается болезнь бери-бери (при которой наблюдается нарушение движений, вплоть до паралича). Витамин В₂ участвует в обмене углеводов и других веществ, а также влияет на дыхание, деятельность нервной системы и другие функции. Витамин В₆ принимает участие в обмене бел ков и жиров, при авитаминозе В₆ у человека наблюдаются изменения в нервной системе и к коже. Витамин В₁₂ влияет на процесс кроветворения.

Витамин С — аскорбиновая кислота. При отсутствии этого витамина в пище развивается цинга (кровотечение из десен, расшатывание и выпадение зубов, кровоизлияния под кожу и другие изменения). Витамин С содержится в большом количестве в шиповнике, черной смородине и т. д.