Глава XII. Обмен веществ и энергии в организме человека

Пластический и энергетический обмены. С момента возникновения живой организм устанавливает об­менные взаимоотношения с внешней средой. В него непрерывно поступают питательные вещества и выделяются продукты обмена веществ. Таким образом, тело человека представляет собой открытую систему, в которой происходит непрерывное движение веществ из внешней среды в организм и из организма во внешнюю среду.

Под обменом веществ понимают сложную цепь химических и физиче­ских превращений веществ в орга­низме с момента их поступления из внешней среды и кончая удалением продуктов распада. Энергетическое «топливо», необходимое для жизне­деятельности, животные и человек получают вместе с пищей и кислоро­дом воздуха. Энергия извлекается главным образом из углеводов, жи­ров и белков. Из пищеварительного тракта эти вещества попадают в кровь и лимфу в виде аминокислот, глюкозы, жирных кислот. Далее эти вещества поступают в ткани и клетки организма человека. Часть веществ используется для построения специ­фических для данного организма молекул белков, жиров и углеводов, для обменных процессов в тканях и органах, из другой части посту­пивших в организм веществ в резуль­тате распада крупных химических молекул на более мелкие и простые выделяется энергия. Эта энергия расходуется на реакции биологиче­ского синтеза, клеточного деления, мышечного сокращения и т. д. Одно­временно в организме человека из мелких молекул синтезируются более крупные специфические для данной клетки структуры.

Таким образом, обмен веществ представляет собой совокупность двух противоположных типов ре­акций: анаболических и катаболических. Анаболические реакции – это реакции синтеза новых молекул. Протекают они с поглощением энер­гии, обеспечивая постоянство хими­ческого состава клеток и тканей организма. Совокупность этих ре­акций носит название пластического обмена.

Катаболические реакции – это реакции распада крупных молекул на более мелкие, простые. При расщеп­лении высокомолекулярных соедине­ний выделяется энергия. Поэтому совокупность реакций, обеспечиваю­щих организм энергией, называют энергетическим обменом.

Оба вида обмена неразрывно связаны и представляют собой не­отделимые друг от друга процессы. Реакции пластического и энергетиче­ского обмена происходят при обяза­тельном участии ферментов и регули­руются нервной и эндокринной систе­мами.

Для сохранения массы тела, роста и возмещения энергозатрат орга­низму необходимы органические ве­щества (белки, углеводы, жиры, витамины) и неорганические веще­ства (минеральные соли, вода и кис­лород). Их количество должно со­ответствовать состоянию организма и условиям его существования. За период, равный средней продолжи­тельности жизни человека, им по­требляется примерно 1,3 т жиров, 2,5 т белков, 12,5 т углеводов и 75 т воды. Организм постоянно очищается от конечных продуктов обмена, образующихся при расщеп­лении веществ, что достигается рабо­той органов выделения.

Обмен белков. Белки занимают важнейшее место среди органических элементов клетки. На их долю прихо­дится более 50% сухой массы клетки. В живом организме постоянно про­исходит синтез и распад белков. Синтез белков осуществляется при участии аминокислот, постоянным источником которых являются белки пищи.

В пищеварительном тракте белки распадаются до аминокислот. Амино­кислоты всасываются в кровь. Прой­дя через сосуды и клетки печени, они доставляются в клетки тканей орга­нов, где вновь синтезируются белки, но уже специфичные для данной клетки, для данного органа. Так, в мышечных клетках и волокнах синтезируются белки актин и мио­зин, а в клетках молочной железы – казеин и т. д. Из 20 входящих в состав белков аминокислот 10 син­тезируются в организме, а 10 не синтезируются (незаменимые амино­кислоты). Без незаменимых амино­кислот нарушается синтез белков, останавливается рост, уменьшается масса тела. Жизнь и нормальное состояние организма невозможны при отсутствии в пище хотя бы одной из незаменимых аминокислот.

Для человека важно поступление с пищей полноценных белков. Только из них в организме могут синтезиро­ваться свои специфические белки. Особенно большое значение полно­ценные белки имеют для растущего организма, так как в нем в боль­шом количестве создаются новые клетки.

Важна не только биологическая ценность поступающих с пищей бел­ков, но и их количество. При недоста­точном количестве белков нормаль­ный рост организма приостанавлива­ется или задерживается. К полно­ценным белкам относят преимуще­ственно белки животного происхож­дения. Особенно большую ценность для организма представляют белки мяса, рыбы, яиц, молока и других продуктов питания. Неполноценные белки преимущественно растительно­го происхождения. Пища человека должна содержать такое количество белков, чтобы полностью удовлетво­рять все потребности организма. Количество белка, необходимое орга­низму, различно для людей разного возраста, пола и профессий. Су­точная потребность в белках у детей от 4 до 7 лет – около 70 г, после 7 лет – 80 г, у взрослых людей – 118 г. Если человек занимается тя­желым физическим трудом, то нор­ма белка в пище должна быть увели­чена до 130 – 140 г в сутки. Белки в организме не откладываются в запас.

Если в организм поступает боль­ше белков, чем требуется, излишек подвергается распаду. При уменьше­нии количества белков в потребляе­мой пище распад их уменьшается. Таким образом организм поддержи­вает свое химическое равновесие. При недостатке белковых веществ в пище (например, при голодании) организм расходует белок собствен­ных тканей.

Обмен углеводов. Углеводы также играют важную роль в организме. Они – основной источник энергии. Углеводы поступают в организм человека главным образом в виде полисахаридов, дисахаридов, крах­мала. Особенно богата углеводами растительная пища: хлеб, крупы, ово­щи, фрукты. Расщепляясь под дей­ствием растительных ферментов до простых Сахаров и глюкозы, углеводы всасываются в кровь. Уровень глюкозы в крови в норме 4,6 – 6,7 ммоль1л. Особенно чувствительны к пониже­нию уровня сахара в крови нервные клетки.

Глюкоза, поступившая в кровь из кишечника, транспортируется в пе­чень, где из нее синтезируется глико­ген – резервный запас углеводов. Количество гликогена в клетках пече­ни у взрослого человека может достигать 150 – 200 г. Гликоген от­кладывается также и в мышцах. При недостатке углеводов в пище глико­ген расщепляется и глюкоза по мере надобности поступает в клетки тка­ней, где она используется как источ­ник энергии. В клетках осуществля­ется дальнейшее превращение угле­водов. Конечные продукты распада углеводов – вода и углекислый газ. При употреблении с пищей большого количества обычного сахара (до 150 – 200 г) содержание глюкозы в крови резко возрастает. Это явле­ние называют пищевой (алиментарной) гипергликемией. В этом случае избыток сахара выводится из орга­низма с мочой. Повышенную кон­центрацию сахара в моче называют глюкозурией. Значительное пониже­ние уровня глюкозы в крови – гипогликемия может вызвать нер­вные расстройства (потерю сознания, судороги) и даже привести к смерти. Суточная потребность в различных углеводах у ребенка 4 – 7 лет равна 287 г, у подростков 14 – 17 лет – 470 г, у взрослого – 500 г.

Обмен жиров. Жиры, как и угле­воды, являются энергетическим мате­риалом и используются как источник энергии. Известно, что при расщепле­нии 1 г жира образуется в два с лишним раза больше энергии, чем при окислении такого же количества белков или углеводов. Поступивший с пищей жир в пищеварительном тракте расщепляется до глицерина и жирных кислот. Попав в кишечные ворсинки, глицерин и жирные кисло­ты вновь соединяются друг с другом. образуя новые, свойственные данно­му организму жиры. Большая часть вновь образовавшихся жиров посту­пает в лимфу, меньшая – непосред­ственно в кровь и разносится ко всем органам и тканям. Много жиров поступает непосредственно в жиро­вую ткань, которая имеет значение жирового депо для организма. Жиры содержатся в подкожной клетчатке. вокруг некоторых внутренних орга­нов (например, почек). Они входят в состав клеток (цитоплазмы, ядра, клеточных мембран). С жирами в ор­ганизм поступают растворимые в них витамины (A, D, Е и др.), имеющие для человека жизненно важное зна­чение. Суточная потребность в жирах для взрослого человека 100 г, для детей 8 – 13 лет – 38 г.

Обмен воды и минеральных ве­ществ. Значение воды в организме очень велико (см. с. 146). За сутки в организм поступает в виде жидко­стей и с пищей 1,5 – 2 л воды. Выделение воды происходит через почки, кожу, легкие и кишечник. Через почки выделяется 1,2 – 1,5л во­ды, через легкие вместе с газами 250 – 350 мл, через кишечник 50 – 200 мл, через кожу – до 1 л.

Организм не может длительно существовать и без минеральных веществ. Они необходимы для осуще­ствления обмена веществ, для по­строения костей, входят в состав гемоглобина и участвуют в переносе кислорода кровью. Минеральные ве­щества имеют большое значение в поддержании постоянства внутрен­ней среды. Потребность организма в различных элементах неодинакова (см. с. 145).

Образование и расход энергии в организме человека. Для различ­ных процессов жизнедеятельности организма (синтеза веществ, мышечной работы, поддержания темпе­ратуры тела) необходима энергия – около 10 500 кДж в сутки. Это значит, что при оптимальном (спокойном) состоянии в организме человека дол­жно расщепляться столько белков, жиров и углеводов, сколько необхо­димо для освобождения 10 500 кДж энергии. Источник энергии заключен в химических связях молекул органи­ческих веществ (белков, жиров и уг­леводов), получаемых с пищей. Пре­вращение этих веществ из сложных в простые и приводит к высвобожде­нию энергии. Основным аккумулято­ром энергии является аденозинтри-фосфорная кислота (АТФ). Химиче­ские реакции при обмене веществ обеспечивают синтез белков, деление клеток, мышечное сокращение. Часть образующегося при химических ре­акциях тепла используется для под­держания постоянства температуры тела, а его избыток организм отдает в окружающую среду. Таким обра­зом, обмен веществ и энергии, состав­ляя единое целое, подчиняется уни­версальному закону естествозна­ния – закону сохранения материи и энергии.

Энерготраты организма определя­ют по величине выделения теплоты. Единицей измерения тепла служит калория (кал). Ее определяют как количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 г воды на 1 °С (1 ккал – 4,2 кДж). Поэтому энергообмен организма выражается в джоулях или калориях. Данные о потребностях в энергии у работни­ков различных видов труда приведе­ны в таблице 9.

Таблица 9 Суточная потребность энергии для лиц разных категорий труда

1. Что такое обмен веществ?

2. Какие функции в организме выполняют белки? Расскажите об их превращениях в организме.

3. Какие белки называют полноценными и неполноценными?