Обмен веществ, питание, метаболизм и выделение продуктов метаболизма. Состав пищи человека. Органические и минеральные компоненты. Основные и минорные компоненты

Обмен веществ живых организмов включает поступление веществ из среды в организм (в результате питания и дыхания), перемещения и превращения ве­ществ в организме (промежуточный обмен) и выделение конечных продуктов обмена.

Поступление веществ в организм и выделение продуктов метаболизма в сово­купности составляют обмен веществами между средой и организмом.

Организм взрослого здорового человека находится в стационарном состоянии в том смысле, что его масса сохраняется постоянной. Это значит, что масса по­требляемых веществ равна массе выделяемых за то же время веществ.

Общая масса органических веществ в теле человека составляет около 25 кг (отметим, что больше половины из них приходится на белки). Ежедневное по­требление органических веществ с пищей равно примерно 0,6 кг; следовательно, человек потребляет такую же массу органических веществ, какая имеется в его теле, за 40-50 дней.

Между содержанием разных веществ в организме и величиной их суточного потребления нет соответствия. Например, для белков отношение содержание/ потребление равно примерно 180, а для углеводов оно менее 2, т. е. различие по этому коэффициенту между белками и углеводами почти стократное. Это связано с тем, что подавляющая часть пищевых углеводов используется именно как источ­ник энергии и распадается до конечных продуктов обмена, минуя стадию включе­ния в структурно-функциональные компоненты клетки. То же в значительной мере относится и к жирам.

Основную массу элементов, из которых построены пищевые вещества, а так­же и тело человека, составляют углерод, водород, кислород и азот. Эти же элемен­ты входят в состав главных конечных продуктов обмена веществ — С0₂, Н₂0 и мочевины H₂N—СО—NH₂. В форме Н₂0 выводится водород органических ве­ществ, причем организм выделяет воды больше, чем потребляет (см. табл. 6.1): примерно 400 г воды образуется за сутки в организме из водорода органических веществ и кислорода вдыхаемого воздуха (метаболическая вода). В форме С0₂ выводятся углерод и кислород органических веществ, а в форме мочевины — азот.

Человек выделяет с мочой, калом, потом, выдыхаемым воздухом много и дру­гих веществ, но в незначительных количествах, так что их вклад в общий баланс обмена веществами между организмом и средой невелик. Однако надо отметить, что физиологическое значение выделения таких веществ может быть существен­ным. Например, нарушение выделения продуктов распада гема или продуктов метаболизма чужеродных соединений, в том числе лекарств, может быть причи­ной тяжелых нарушений обмена веществ и функций организма.

Наиболее сложную часть обмена веществ составляет промежуточный обмен. Он включает следующие молекулярные процессы:

1. Взаимодействие молекул без изменения их ковалентной структуры: обра­зование олигомерных белков из протомеров; самосборка клеточных органелл, включая мембраны; образование двойной спирали ДНК; присоеди­нение аминоацил-тРНК к мРНК и рибосомам; присоединение аллостерических эффекторов к регуляторным центрам ферментов; присоединение кислорода к гемоглобину и др. Все эти взаимодействия представляют со­бой физико-химические процессы. Наиболее характерной чертой молеку­лярных физико-химических процессов в живых организмах является со­единение молекул за счет комплементарных поверхностей центров связы­вания (узнавание).

2. Взаимодействия молекул, завершающиеся изменением их ковалентной структуры, т. е. собственно химические процессы. Именно совокупность этих процессов обычно называют метаболизмом (metabole — изменение, превращение). Как мы уже знаем, все химические реакции в организме ка­тализируются ферментами. В ходе ферментативной реакции, конечно, име­ют место и физико-химические процессы, например образование некова-лентных связей между ферментом и субстратом, изменение конформации и др. 3. Перенос веществ. Существуют разные механизмы и маршруты транспорта веществ в организме, а именно:

а) транспорт с циркулирующей жидкостью по кровеносным и лимфати­ческим сосудам. Это механический процесс. Однако многие вещества транспортируются в форме соединений со специальными транспортны­ми белками, подобно переносу кислорода в соединении с гемоглобином. В крови имеются транспортные белки для переноса многих соединений — гормонов, витаминов, липидов, ионов металлов и др. Образование и распад комплекса транспортного белка с переносимым веществом — это обычно физико-химические процессы, не связанные с изменением ковалентной структуры веществ;

б) трансмембранный перенос, который может быть межклеточным и внут­риклеточным. Основные формы межклеточного переноса следующие:

— из кишечника в кровь через мембраны клеток кишечного эпителия и стенок капилляров;

— из крови и межклеточного пространства в клетки разных органов че­рез мембраны этих клеток;

— из клеток в межклеточное вещество или в кровь через те же мембраны;

— в почечных клубочках — из крови в первичную мочу, а в почечных ка­нальцах — из первичной мочи в кровь через мембраны соответствую­щих клеток.

Примером внутриклеточного трансмембранного переноса является транс­порт мРНК из ядра в цитоплазму.

Пища человека содержит множество химических соединений, как органических, так и минеральных. Главную долю органических веществ пищи состав­ляют углеводы, жиры, белки — основные пищевые вещества. Часть органических веществ — это минорные пищевые вещества, требующиеся в малых количествах; к ним принадлежат, в частности, витамины.

Основные пищевые вещества большей частью представляют собой полимеры. В желудочно-кишечном тракте они гидролизуются при участии ферментов класса гидролаз на мономеры: в этом заключается суть пищеварения. В процессе пище­варения происходит уменьшение разнообразия веществ: из бесчисленного количе­ства белков разного строения, полисахаридов, жиров получается 20 разных амино­кислот, небольшое число моносахаридов (главным образом глюкоза, фруктоза, га­лактоза), глицерин, жирные кислоты (главным образом олеиновая, стеариновая, пальмитиновая). Мономеры как низкомолекулярные вещества значительно легче проникают через клеточные мембраны кишечного эпителия (полимеры практи­чески не всасываются). С кровью мономеры транспортируются во все органы и ткани и используются клетками.

Пищевые вещества могут быть заменимыми и незаменимыми. Заменимые — это те, которые могут образоваться в организме из других веществ. Например, клетки человека могут синтезировать любой необходимый им моносахарид из аминокислот, жиры могут образоваться из углеводов, некоторые аминокислоты образуются из других аминокислот или из углеводов.

Незаменимые пищевые вещества не синтезируются из других веществ и поэто­му должны содержаться в пище в готовом виде. К незаменимым относятся все минеральные компоненты, а также витамины, некоторые аминокислоты и некоторые жирные кислоты.