Обмен веществ и энергии

Основной признак живого организма – обмен веществ и энергии. В организме человека идут пластические процессы, процессы роста, образования сложных веществ, из которых состоят клетки и ткани. Процессы образования в клетках организма необходимых ему веществ, извлечение и накопление энергии (ассимиляция) и процессы окисления и распада органических соединений, превращение энергии и ее расход (диссимиляция). Обменные процессы в организме протекают интенсивно. Почти половина тел обновляется или заменяется в течение трех месяцев. За 5 лет учебы роговица глаза у студента сменяется 350 раз, ткани желудочка 500 раз.

Белки – необходимый строительный материал. Белки состоят из белковых элементов – аминокислот, которые образуются при переваривании животного и растительного белка и поступает в кровь из тонкого кишечника. В состав клеток живого организма входят более 20 аминокислот. Аминокислоты делятся на незаменимые и заменимые. Незаменимые называются те, которые организм получает только с пищей. Заменимые могут быть получены в организме из других аминокислот. Белки, поступающие в пищей, делятся на 2 группы: полноценные, содержащие все незаменимые аминокислоты, и неполноценные, в составе которых отсутствуют некоторые незаменимые аминокислоты. Основным источником полноценных белков служат животные белки, растительные белки неполноценные. Баланс белков определяется разностью между количеством белка, поступившего с пищей, и количеством белка, подвергшегося за это время разрушению.

В состав белков входит азот. В организме белок не откладывается про запас, не депонируется. Регуляция белкового равновесия осуществляется гуморальным и нервным путями. Считается нормой потребление белка в день для взрослого человека 80-100 г. При больших физических нагрузках может достигать до 150 г/сут. Азот – один из конечных продуктов окисления белка. В здоровом организме человека среднего возраста количество введенного азота равно количеству выделенного. Такое соотношение называется азотным равновесием.

Углеводы делятся на простые и сложные. Простые углеводы называются моносахаридами. Моносахариды хорошо растворяются в воде и поэтому быстро всасываются из кишечника в кровь. Сложные углеводы построены из двух или многих молекул моносахаридов.

Углеводы поступают в организм с растительной и частично с животной пищей. При избыточном поступлении превращаются в жиры и в таком виде откладываются в организме. Углеводы являются важной составной частью живого организма. Однако их в организме меньше, чем белков и жиров, они составляют всего лишь около 2% сухого вещества тела. Углеводы в организме – главный источник энергии. Они всасываются в кровь в основном в виде глюкозы. Это вещество разносится по тканям и клеткам организма. Если с пищей поступает недостаточное количество сахара, то он синтезируется из жиров и белков. Излишки сахара после приема пищи превращаются в печени и в мышцах в гликоген и там депонируются. Этот процесс регулируется гормоном поджелудочной железы – инсулином. Запасы углеводов особенно интенсивно используются при физической работе. Однако полностью они никогда не исчерпываются. Уменьшение содержания глюкозы в крови является одним из факторов, способствующих развитию утомления. Углеводы следует принимать или непосредственно перед спортом или не позднее чем за 2 ч. до начала работы. Депонирование углеводов, использование углеводных запасов печени и все другие процессы углеводного обмена регулируются центральной нервной системой.

Большое значение в регуляции углеводного обмена имеет кора больших полушарий. Нервные пути обеспечивают регуляцию углеводного обмена и относятся к вегетативной нервной системе. Симпатические нервы усиливают процессы расщепления и выхода гликогена из печени. Парасимпатические нервы, наоборот, стимулируют депонирование гликогена. Гормон мозгового слоя надпочечника адреналина способствует выходу углеводов из депо. Гормон поджелудочной железы инсулин обеспечивает депонирование. В сахаре содержится 95% углеводов, меде 76%, шоколаде – 49%, изюме до 65%.

Жиры (липиды) являются важным источником энергии в организме, необходимая составная часть клеток. Излишки жиров могут депонироваться в организме. Откладываются они главным образом в подкожной жировой клетчатке, сальнике, печени и других внутренних органах. Общее количество у человека жира может составлять 10-12% массы тела, а при ожирении – 40-50%. Жир используется как пластический и энергетический материал, покрывая различные органы, предохраняя их от механического воздействия. Скопление жиров в брюшной полости обеспечивают фиксацию внутренних органов. Жир входит в состав секрета сальных желез, предохраняет кожу от высыхания и излишнего смачивания при соприкосновении с водой, является необходимым компонентом пищи. Пищевой жир содержит некоторые жизненно важные витамины. Обмен жиров в организме регулируется ЦНС. При повреждении некоторых ядер гипоталамуса жировой обмен нарушается и происходит ожирение организма или его истощение. В процессе регуляции участвуют гормоны гипофиза, щитовидной, поджелудочной и половых желез. В 100 г молока, топленого или растительного масла содержится 95г жира, сметаны 24г, свинины жирной 37г, баранины 29г. Человеческий организм на 60% состоит из воды, жировая ткань содержит 20% воды (от ее массы), кости 25, печень – 70, скелетные мышцы – 75, кровь 80, мозг 85%. Для нормальной жизнедеятельности организма, который живет в условиях меняющейся среды, очень важно постоянство внутренней среды организма. ЕЕ создают плазма крови, тканевая жидкость лимфа, основная часть которых это вода, белки и минеральные соли. Вода и минеральные соли не служат питательными веществами или источниками энергии, но без воды не могут протекать обменные процессы. Вода – хороший растворитель. Без воды человек может прожить не более 7-10 дней, тогда как без пищи – 30-40 дней. Удаляется вода вместе с мочой через почки, а потом через кожу и с воздухом, выдыхаемым через легкие. Отношение общего количества потребляемой жидкости к общему количеству выделяемой жидкости называется водным балансом. Вода в организм человека поступает в «чистом виде» и в составе различных продуктов. Суточная потребность человека в воде составляет 2.0 –2.5 л. Регулятором водно-солевого обмена являются гормоны коры надпочечников и задней доли гипофиза. Минеральные вещества входят в состав скелета, структуры белков, гормонов, ферментов. Общее количество минеральных веществ в организме составляет приблизительно 4-5% массы тела. Для жизни организма человека нужны витамины. Значение витаминов состоит в том, что присутствуя в организме в небольших количествах они регулируют реакции обмена веществ. При недостатке в организме витаминов развивается состояние, называемое гиповитаминозом. Заболевания, возникающие при отсутствии того или оного витамина, называется авитаминозом. К настоящему времени открыто более 20 веществ, которые относят к витаминам. Обычно их обозначают буквами латинского алфавита A, B, C, D и др. К водорастворимым относятся витамины группы B, C, PP и др. Ряд витаминов являются жирорастворимыми (витамин А). При авитаминоза А задерживаются процессы роста организма, нарушается обмен веществ.

Витамин D называют противорахитическим витамином. Недостаток его приводит к расстройству фосфорного и кальциевого обмена. Кости при этом разлагаются и искривляются. Нарушается развитие зубов.

Витамины группы В. Недостаток витаминов группы В вызывает нарушение обмена веществ, расстройство функций ЦНС. Суточная норма витамина В для взрослого от 2 до 6 мг, при систематической спортивной деятельности это норма должна увеличиваться в 3-5 раз.

Витамин С называют противоцинготным. При недостатке его в пищи развивается специфическое заболевание цинга. Витаминная недостаточность, как правило, сказывается в ранний весенний период, когда сразу после зимы организм расслаблен. Кроме описанных витаминов большое значение имеет витамин Е (фактор размножения) и витамин К.

Обмен веществ и энергии – это взаимосвязанные процессы, разделение которых связано лишь с удобством изучения. При окислении энергия химических связей, содержащаяся в питательных веществах, освобождается и используется организмом. За счет перехода одних видов энергии в другие и поддерживаются все жизненные функции организма. Соотношение между количеством энергии, поступающей с пищей, и величиной энергетических трат, называется энергетическим балансом. При занятиях активной мышечной деятельностью расход энергии может достигать больших величин до 5000 Ккал и более. Для нормальной жизнедеятельности организм должен получать оптимальное количество полноценных белков, жиров, углеводов, минеральных солей и витаминов, которые содержаться в различных продуктах. Таким образом, чтобы энергетический баланс находился на нормальном уровне, необходимо полноценное питание и двигательная активность.

Важнейшая физиологическая константа организма – то минимальное количество энергии, которые человек расходует в состоянии полного покоя. Эта константа называется основным обменом.

Основной обмен человека определяют при соблюдении следующих условий: при полном физическом и физическом покое; в положении лежа; в утренние часы; натощак, т.е. через 14 часов после последнего приема пищи; при температуре (20^оС).

Основной обмен является индивидуальной константой и зависит от пола, возраста, массы и роста человека. У здорового человека он может держаться на постоянном уровне в течение ряда лет. Обмен веществ при этих условиях называется рабочим обменом.

Русский физиолог И.Н. Павлов установил, что функциональное состояние нервной системы может изменять интенсивность обменных процессов. Особое значение в регуляции обмена веществ имеет отдел промежуточного мозга – гипоталамус. Разрушение этого отдела ведет к нарушению жирового, углеводного и других видов обмена. Гипоталамус регулирует деятельность важной железы внутренней секреции гипофиза, который контролирует работу всех других желез внутренней секреции, в том числе выделяет гормоны (инсулин, адреналин, тироксин). У спортсменов основной обмен в дни тренировочных занятий повышен и особенно соревнований. Суточный расход энергии человека включает величину основного обмена и энергию, необходимую для профессионального труда. Умственный труд требует небольших энергетических затрат. При физической работе может достигать больших величин. В спорте с повышением нагрузки величины энергозатрат могут достигать больших величин. На уровень расхода энергии влияют также эмоции. После окончания мышечной деятельности расход энергии некоторое время остается еще повышенным по сравнению с уровнем покоя. Это связано с ликвидацией кислородного долга. При занятиях физическими упражнениями увеличивается количество эритроцитов и гемоглобина, также возрастает количество лейкоцитов и их активность. Кровь в организме под воздействием сердца находится в постоянном движении. Артерии – кровеносные сосуды, по которым кровь движется от сердца. От сердца отходят крупные артерии (аорта, легочная артерия), которые, удаляясь от него, ветвятся на более мелкие сосуды капилляры. Они в 10-15 раз тоньше человеческого волоса. Из капилляров кровь переходит в вены – сосуды, по которым она движется к сердцу. Вены имеют тонкие и мягкие стенки и клапаны, которые пропускают кровь только в одну сторону – к сердцу. Двигательная активность человека в спорте связана с сердечно-сосудистой системой. Работая с большой нагрузкой при выполнении спортивных упражнений, сердце неизбежно тренируется. Масса у тренированных составляет 500 г, у нетренированных людей 300 г. Показателями работоспособности сердца являются частота пульса, кровяное давление, систолический и минутный объем крови. При физической работе происходит расширение стенок сосудов, а при умственной сужение, что и является главным признаком гипертонической болезни. При переходе из капилляров в вены давление падает и затрудняет возврат крови к сердцу, так как ее движению препятствует сила гравитации. При малоподвижном образе жизни венозная кровь может застаиваться (в брюшной полости или в области таза при длительном сидении). Здесь важную роль играет мышечный насос, который сокращается и расслабляет мышцы, то сдавливает вены, то прекращает этот процесс.

Мышечный насос способствует более быстрому отдыху сердца. Гравитационный шок наблюдается после резкого прекращения интенсивной циклической работы. Прекращение ритмичной работы нижних конечностей мышц лишает помощи систему кровообращения: кровь под действием гравитации остается в крупных венозных сосудах ног и движение ее замедляется. И резко снижается возврат крови к сердцу, давление артериальной крови падает, мозг оказывается в условиях гипоксии. Наступает головокружение, тошнота, обморочное состояние. При этом необходимо помнить и не прекращать резкого движения циклического характера сразу после финиша, а постепенной в течение 3-5 минут снижать интенсивность. Затраты энергии на физическую работу обеспечиваются биохимическими процессами, происходящими в мышцах в результате окислительных реакций, для которых постоянно необходим кислород. Средняя частота дыхания в покое составляет 15-18 циклов в мин. Дыхательный объем – количество воздуха, проходящее через легкие при одном дыхательном цикле (вдох, выдох, пауза). В покое дыхательный объем составляет 200-300 мл. Легочная вентиляция – объем воздуха, который проходит через легкие за одну минуту, в покое составляет 5-9 л. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) – максимальный объем воздуха, который может выдохнуть человек после вдоха.

Кислородный запрос – количество кислорода, необходимое организму в 1 минуту для окислительных процессов в покое или для обеспечения работы различной интенсивности. Суммарный запрос – количество кислорода, которое необходимо для всей предстоящей работы.

Максимальное потребление кислорода – наибольшее количество кислорода, которое может употребить организм при предельно напряженной для него работе. МПК является показателем аэробной производительности организма.

Когда в клетки тканей поступает меньше кислорода, чем нужно для полного обеспечения потребности в энергии, возникает кислородное голодание или гипоксия. Гипоксия наступает по разным причинам. Внешние причины – подъем на высоту, загрязнение воздуха. Внутренние причины гипоксии зависят от состояния дыхательного аппарата и сердечно-сосудистой системы.

При интенсивной двигательной активности наступает двигательная гипоксия. Органы по разному переносят гипоксию различной деятельности. Кора головного мозга – один из наиболее чувствительных к гипоксии органов. Систематическая тренировка средствами физической культуры и спорта не только стимулирует развитие сердечно-сосудистой системы, а также дыхания, но и способствует значительному повышению уровня потребления кислорода в целом.

2.11 Органы пищеварения и выделения

Процесс пищеварения начинается с ротовой полости, где в течение 15-18 с, осуществляется физическая и химическая обработка пищи. Затем через пищевод пища попадает в желудок и в течение 6-10 ч. подвергается дальнейшей физической и химической обработке. Дальнейшая химическая обработка продолжается в двенадцатиперстной кишке, куда поступает сок поджелудочной железы и желчь. Дополнительное частичное расщепление происходит в толстом кишечнике.

При мышечной деятельности значительная роль органов выделения, которые выполняют функцию сохранения внутренней среды организма. Почки поддерживают концентрацию воды, солей и ряда других веществ. При больших физических нагрузках потовые железы и легкие существенно помогают почкам осуществлять свои функции.

2.12 Железы внутренней секреции

При двигательной деятельности велика роль желез внутренней секреции. У адаптированных к физическим нагрузкам лиц в процессе выполнения мышечной работы отмечается повышение эндокринной системы: усиливают свою секрецию гипофиз, надпочечники, щитовидная и поджелудочная железы. Выделяемые гормоны влияют на обмен веществ, обеспечивают высокую работоспособность, замедляют процесс утомления и ускоряют процессы восстановления.

2.13 Сенсорные системы

Сенсорная система – это прежде всего восприятие раздражителей физической природы. Существуют следующие анализаторы сенсорной системы: двигательный, зрительный, слуховой, вестибулярный, тактильный – обеспечивает восприятие ощущений прикосновение его к месту (чувство воды, льда и т.д.). Проприоцептивный – определяет степень напряжения мышц.

2.14 Регуляция деятельности организма в различных условиях