Обмен веществ и энергии. Питание

Обмен веществ и энергии — совокупность химических и физических превращений, происходящих в клетках и тканях живого организма и обеспечивающих его жизнеспособность. Сущность обмена веществ или метаболизма заключается в последовательном потреблении организмом из внешней среды различных веществ, усвоении, использовании, накоплении и потери веществ и энергии в течение жизни, позволяющие организму самосохраняться, расти, развиваться, адаптироваться к окружающей среде и самовоспроизводиться.

Обменные процессы протекают в виде последовательных фаз: 1) извлечение энергии из органических веществ, попавших в организм с пищей; 2) превращение продуктов расщепления пищевых веществ в «строительные блоки» для синтеза веществ, специфических для организма; 3) синтез белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других элементов клетки; 4) синтез и разрушение тех биологически активных молекул, которые необходимы для осуществления специфических функций организма.

Назначение обмена веществ и энергии заключается: во-первых, в обеспечении пластических нужд организма, то есть в доставке организму химических веществ, необходимых для построения его структурных элементов и восстановления распадающихся в организме и теряемых из организма веществ; во-вторых, в обеспечении всех жизненных функций организма энергией.

Выделяют основной обмен (происходящий при полном покое) и промежуточный обмен (совокупность химических превращений с момента поступления переваренных пищевых веществ в кровь до выделения продуктов обмена из организма).

Обмен веществ делится на два взаимосвязанных и одновременно протекающих в клетке процесса — ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). При анаболизме происходит биосинтез сложных веществ из более простых молекул-предшественников. При этом каждая клетка синтезирует характерные для нее белки, жиры, углеводы и другие соединения. При катаболизме происходит расщепление крупных органических молекул до простых соединений с одновременным выделением энергии, которая запасается, главным образом, в виде АТФ. Катаболизм относят к энергетическому обмену, обеспечивающему доставку к клеткам энергии, необходимой для жизнедеятельности. В течение жизни наблюдаются разные количественные соотношения процессов ассимиляции и диссимиляции: в растущем организме преобладает ассимиляция; примерно в возрасте от 22—25 лет до 60 лет устанавливается относительное равновесие анаболизма и катаболизма; после 60 лет процессы диссимиляции несколько превышают процессы ассимиляции, что сопровождается изменениями функциональных возможностей различных систем организма.

Основные этапы обмена веществ и их значение.Основными веществами, необходимыми для жизнедеятельности организма являются белки, жиры, углеводы, минеральные вещества, витамины и вода. Процессы обмена этих веществ имеют свои характерные особенности. Но на ряду с этим существуют общие закономерности, позволяющие выделить три этапа обмена веществ: 1) переработку пищевых продуктов в органах пищеварения, 2) межуточный обмен веществ, 3) образование конечных продуктов метаболизма.

Первый этап — это последовательное расщепление химических компонентов пищи в желудочно-кишечном тракте до низкомолекулярных структур и всасывание образовавшихся простых химических продуктов в кровь или лимфу.

Расщепление белков, жиров и углеводов происходит под влиянием специфических ферментов. Белки расщепляются пептидами до аминокислот, жиры — липазами до глицерина и жирных кислот, сложные углеводы — амилазами до моносахаридов. Энергетическая ценность первого этапа обмена веществ незначительна и состоит главным образом в переводе питательных веществ в простейшие формы, которые могут в дальнейшем служить энергетическим источником. Этими формами являются аминокислоты (около 20), три гексозы (глюкоза, фруктоза и галактоза), пентоза, некоторые более редкие сахара, глицерин и жирные кислоты. Они легко всасываются в кровь и лимфу, разносятся током крови к печени и периферическим тканям, где подвергаются дальнейшим превращениям.

Второй этап обмена веществ объединяет превращения аминокислот, моносахаридов, глицерина и жирных кислот. Процесс межуточного обмена веществ приводит к образованию немногих ключевых соединений, которые обуславливают перекрестную взаимосвязь между отдельными путями обмена веществ, а также между процессами синтеза и распада; образно их называют метаболическим котлом, или общим котлом обмена веществ (рис. 21). Таким соединением, например, является пировиноградная кислота, пируват, играющая роль связующего звена между углеводами, жирами и большинством аминокислот. Пировиноградная кислота является общим продуктом распада углеводов, жиров и безазотистого остатка некоторых аминокислот. Наряду с этим пировиноградная кислота может служить продуктом для синтеза углеводов и жиров, а также участвовать в переаминировании аминокислот.

Основной ключевой продукт — ацетилкоэнзим А («активный ацетат»), образующийся в результате многоступенчатого окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты и последующего присоединения коэнзима А. Ацетилкоензим А — нуклеотид, содержащий богатую энергией сульфидную связь. 0н легко подвергается дальнейшему окислению, а также служит объединяющим звеном для обмена жирных кислот и некоторых аминокислот.

В итоге обмен жиров, белков и углеводов сводится к общему пути — циклу трикарбоновых кислот (циклу Кребса), окислительному распаду конечных продуктов обмена углеводов, жиров и аминокислот. Таким образом процессы обмена углеводов, жиров и белков взаимосвязаны на стадии ключевых продуктов метаболизма и имеют общий конечный путь (рис. 21).

Рис. 21. Схема взаимосвязи обмена углеводов, белков, и жиров (по: Држевецкая, 1994)

Процессы межуточного обмена веществ приводят к синтезу видоспецифических белков, жиров и углеводов и их комплексов — нуклеопротеидов, фосфолипидов и др., то есть к образованию составных частей организма. Наряду с этим процессы межуточного обмена служат основным источником энергии. Основная часть энергии (²/₃) освобождается в результате окисления в цикле Кребса. При межуточных превращениях углеводов, жиров и белков освободившаяся энергия превращается в энергию особых химических соединений, так называемых макроэргами, то есть соединений, в которых накапливается много энергии.

В организме человека функцию макроэргов выполняют различные фосфорные соединения, главным образом аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Именно в АТФ аккумулируется 60—70% всей энергии, освобождающейся при межуточном обмене питательных веществ. И лишь 30—40% энергии, выделяющейся при окислении белков, жиров и углеводов, превращается в тепловую энергию и выделяется из организма во внешнюю среду в процессе теплоотдачи.

Третий этап обмена заключается в образовании и выделении конечных продуктов обмена. Азотосодержащие продукты выделяются с мочой (главным образом), калом и в небольших количествах через кожу. Углерод выделяется главным образом в виде СО₂ через легкие и частично с мочой и калом. Выделение водорода происходит преимущественно в виде воды через легкие и кожу, а также с мочой и калом. Таким же путем экскретируются минеральные соединения.

Обмен белков. Значение белков. Белками или протеинами называют высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков аминокислот. Белки занимают ведущее место среди органических элементов, на их долю приходится более 50% сухой массы клетки. Они выполняют следующие функции:

1) пластическую — основной строительный материал клеточных структур (входят в состав цитоплазмы, гемоглобина, многих гормонов);

2) ферментативную — белки ферменты катализируют процессы обмена веществ (дыхание, пищеварение, выделение);

3) энергетическую — обеспечивают организм энергией, образующейся при расщеплении белков;

4) защитную — белки плазмы крови обеспечивают иммунитет;

5) гомеостатическую — поддерживают постоянство водно-солевой среды организма;

6) двигательную — взаимодействие сократительных белков актина и миозина при мышечном сокращении.

Белки являются материальными носителями жизни, составляют основу всех клеточных структур. Биосинтез белков определяет рост, развитие и самообновление всех структурных элементов в организме. Важная роль белков определяет необходимость их частого обновления. Скорость обновления белков неодинакова для различных тканей. С наибольшей скоростью обнавляются белки печени, слизистой оболочки кишечника, а также других органов и плазмы крови. Так например, в печени человека ежедневно образуется около 25 г нового белка, в цитоплазме в сутки заменяется около 20 г, в составе гемоглобина — около 8 г. В нормальных условиях в организме взрослого человека ежедневно продуцируется до 400 г нового белка и столько же распадается. Половина белкового состава печени замещается новым белком на протяжении всего 5—7 дней. Медленнее обновляются белки, входящие в состав клеток мозга, сердца, половых желез, и еще медленнее — белки мышц, кожи и особенно опорных тканей (сухожилей, костей, хрящей).

Полноценные и неполноценные белки. Белковый обмен организма тесно связан с белковым питанием. Для синтеза белков большое значение имеет аминокислотный состав пищи. Все аминокислоты, используемые в синтезе белка, делятся на две группы: 1) заменимые, недостаток которых в пище может быть восполнен за счет других аминокислот, и 2) незаменимые или жизненно необходимые, не образующиеся в организме, недостаток которых вызывает нарушение синтеза белков.

Установлено, что из 20 входящих в состав белков-аминокислот 12 синтезируются (заменимые аминокислоты), а 8 не синтезируются (незаменимые аминокислоты). Без незаменимых аминокислот синтез белка резко нарушается: останавливается рост, падает масса тела. К незаменимым аминокислотам относятся валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилалалин, триптофан, лизин. Например, отсутствие в пище аминокислоты лизина приводит к задержке роста ребенка, к истощению его мышечной системы. Недостаток валина вызывает расстройство равновесия у детей.

Пища животного происхождения содержит больше незаменимых аминокислот, чем растительная. Белки, включающие весь необходимый набор аминокислот, называют биологически полноценными. Наиболее высока биологическая ценность белков молока, яиц, рыбы, мяса. Неполноценными белками являются белки кукурузы, пшеницы, ячменя. Следует отметить, что два неполноценных белка с различным составом аминокислот могут совместно обеспечить потребность организма. В связи с этим пища ребенка должна не только содержать достаточное количество белка, но и включать белки с высокой биологической ценностью, то есть животного происхождения.

Этапы белкового обмена. Обмен белков — процесс усвоения (синтеза, распада и выведения) клетками и тканями организма азотосодержащих соединений (главным образом белков и аминокислот).

Синтез белка происходит из аминокислот и низкомолекулярных полипептидов, которые образуются при расщеплении белков в пищеварительной системе до аминокислот и всасываются в кровь.

Ферментативное расщепление белков осуществляется протеипазами пищеварительных соков — желудочного, поджелудочного, кишечного.

Межуточный обмен белков. Всосавшиеся в кишечнике аминокислоты и пептиды переносятся кровью в печень и к периферическим тканям. Здесь часть их используется для синтеза белков организма, часть идет на образование ряда производных аминокислот (пуриновых и фосфатидных оснований). Наконец, часть аминокислот подвергается дезаминированию, то есть удалению аминогруппы из аминокислот и превращение их в безазотистые продукты. Аминогруппы, отщепившиеся при дезаминировании, выводятся из организма с мочей в виде аммиака и мочевины.

Таким образом, межуточный обмен белков состоит из нескольких фаз: 1) биосинтез белков; 2) расщепление тканевых белков, 3) превращение аминокислот. В процессе межуточного обмена аминокислот появляются физиологически активные вещества: гормоны, нуклеотиды, коферменты (рис. 22).

В результате межуточного обмена белков образуются конечные продукты (аммиак, мочевая кислота, креатин). Мочевина основной конечный продукт, образующийся в процессе белкового метаболизма. Она синтезируется в печени из аммиака, освобождающегося при дезаминировании аминокислот.

Азотистый баланс — соотношение количества азота, поступившего в организм с пищей и выделившегося из него. Так как в состав белков входит азот, то по азотистому балансу можно судить о соотношении количества поступившего и разрушенного в организме белка:

Зная, сколько азота усвоено, легко рассчитать количество введенного в организм белка. В среднем в белке содержится 16% азота, то есть 1г азота в 6,25 г белка, следовательно, умножив величину усвоенного азота на 6,25 можно определить количество введенного в организм белка. Точно также определяют и величину суточного распада белка. Между количеством азота, введенного с белками пищи, и количеством азота, выводимого из организма, существует определенная взаимосвязь. Это состояние получило название азотистого равновесия. Следовательно, в состоянии азотистого равновесия распад белковых структур организма количественно уравновешивается белками пищи. Азотистое равновесие характеризует нормальное протекание процессов белкового обмена в организме в условиях достаточного белкового питания.

Рис. 22. Пути использования аминокислот во внутриклеточном обмене
(по: Андреева и др., 1998)

В тех случаях, когда поступление азота превышает его выделение — положительный азотистый баланс. При этом синтез белка преобладает над его распадом. Устойчивый положительный азотистый баланс наблюдается всегда при увеличении массы тела и отмечается в период роста организма, во время беременности в связи с ростом плода, в период выздоровления после тяжелых заболеваний, а также при усиленных спортивных тренировках, сопровождающихся увеличением массы мышц. В этих случаях происходит задержка азота в организме (ретенция азота).

Белки в организме не депонируются, то есть не откладываются в запас. Поэтому при поступлении с пищей значительного количества белка только часть его расходуется на пластические цели, большая же часть — на энергетические цели. В связи с этим ребенку нужно давать оптимальное количество белка, с набором всех аминокислот.

Когда количество выведенного из организма азота превышает количество поступившего, то определяется как отрицательный азотистый баланс. Отрицательный азотистый баланс возникает при полном отсутствии или недостаточном количестве белка в пище, а также при потреблении пищи, содержащей неполноценные белки. Во всех этих случаях имеет место белковое голодание. При белковом голодании снижается интенсивность синтеза и распада белка.

Понижение активности синтеза белков, особенно функционально необходимых белков, приводит к нарушению деятельности органов и систем. Особенно страдает растущий организм: тормозится рост, нарушается формирование скелета, что обусловлено недостатком пластического материала, необходимого для построения клеточных структур.

Возрастные особенности белкового обмена. В детском организме интенсивно протекают процессы роста и формирования новых клеток и тканей. Поэтому потребность в белках у ребенка значительно выше, чем у взрослого. Чем интенсивнее идут процессы роста, тем больше потребность в белке.

Институтом питания РАМН разработаны нормы суточной потребности белка на 1 кг массы тела детей: до 1 года — 5—5,5 г, от 1 до 3 лет — 4—4,5 г, от 4 до 7 лет — 3,5—4 г, от 8 до 12 лет — 3 г и старше 12 лет — 2—2,5 г. При этих величинах азот максимально задерживается в организме. Важное значение имеет не только количество, но и качество вводимого белка. Полноценность белков определяется наличием в них аминокислот, необходимых для построения белков детского организма.

С возрастом изменяется потребность в отдельных незаменимых и заменимых аминокислотах. Дети 1-го года жизни нуждаются не только в гораздо большем количестве нуклеиновых кислот, но и качественно ином составе аминокислот пищи. В этом же возрасте отмечается наибольшая задержка белка в организме, так как интенсивно нарастает масса тела. Наибольший положительный баланс азота наблюдается в первые 3 месяца жизни.

В дальнейшем величина баланса, оставаясь все время положительной, падает и к концу года существенных изменений в балансе азота не происходит. Так, например, по данным А. Ф. Толкачевской (1960), удержание азота у детей 1-го года жизни в г/кг в среднем составляет: 3 месяца — 0,28, 3—6 месяцев — 0,20, 6—9 месяцев — 0,21, 9—12 месяцев — 0,23 (цит. по: Маркосян, 1969). Степень использования организмом азота имеет индивидуальные колебания. Как расходование, так и задержка азота пищи зависит не только от возрастных потребностей организма, но и от количества введенного с пищей белка. Ребенок в отличие от взрослого обладает способностью временного накопления белка. Чем больше вводится с пищей азота, тем больше его задержка в организме (табл. 34).

Табл. 34. Задержка азота у дошкольников при различном содержании белка в рационе (по: Макхамов, 1959)

Наилучшая ретенция азота у детей от 1,6 до 3 лет наблюдается при суточной дозе белка, равной 4 г на 1 кг веса. Уустановлено, что для детей 7—8 лет суточная доза белка, равная 2,2—2,5 г на 1 кг веса, лишь поддерживает азотистое равновесие. При меньшей дозе баланс отрицательный, а при дозе 2,8 —З г на 1 кг веса он становится положительным.

С возрастом в моче увеличивается количество недоокисленных продуктов, изменяются соотношения между отдельными фракциями азота и серы мочи, происходят изменения в выделении молочной кислоты и креатина.

Наименьшее содержание общего азота в моче приходится на первые 3 месяца жизни, а в последующие месяцы и до 1-го года отмечается повышение содержания азота в моче. Суточное количество азота, выводимое с мочой, особенно в течение первых 4 лет жизни интенсивно увеличивается. В 4—6 лет общий азот мочи колеблется в пределах 98—162 мг/ч. Количество азота на 1 кг веса достигает максимальной величины к 6 годам, а затем начинает постепенно снижаться.

В расчете на 1 кг веса количество мочевины, постепенно нарастая на 1-м году жизни, на 2-м году увеличивается вдвое, затем опять постепенно повышается до 5—6 лет, после чего начинает падать. Так, например, если у новорожденного выделяется с мочой 0,17 г мочевины на 1 кг веса, то у 6-летнего — 0,81, а у 13-летнего — 0,64.

Таким образом, периоду наиболее интенсивного роста соответствует наименьшее выделение мочевины. Что касается содержания в моче детей мочевой кислоты,то выделение ее в расчете на 1 кг веса на протяжении первого года жизни значительно превышает таковое у взрослого человека. Особенно высоко содержание мочевой кислоты в первые 3 месяца, затем несколько снижается, но к концу года все же превышает нормы взрослого в 2—4 раза. Суточное количество мочевой кислоты довольно равномерно повышается с возрастом и составляет на 2-м году жизни 260 мг, в 10 лет — 560 мг, в 13 лет — 600 мг и у взрослого — 800 мг. В то же время относительное выведение мочевой кислоты с возрастом уменьшается.

Еще одной особенностью азотистого обмена детей является постоянное наличие в их моче креатина. В норме креатин в моче взрослых людей не выделяется, а у детей, начиная с момента рождения, выделение креатина в моче продолжается до периода полового созревания. С возрастом значительно уменьшается выделение креатина с мочой, повышается концентрация креатинина и к 15—16 годам приближается к уровню взрослого человека.

В возрасте 5—6 лет нет половых различий в выделении как креатина, так и креатинина, они появляются лишь в 10—13 лет, причем у девочек выделение креатина больше, чем у мальчиков.

В отношении выделения креатинина половые различия возникают примерно с 9 лет и более заметными становятся в 14—16 лет. У мальчиков суточное количество выделяемого с мочой креатинина намного больше, чем у девочек. Эти половые различия объясняются, по-видимому, большим развитием мышечной системы у мальчиков по сравнению с девочками этого же возраста.