Обмен веществ и энергия в организме

Содержание

Введение

Как бы ни были разнообразны формы 
проявления жизни, они всегда неразрывно
связаны с превращением энергии.
Энергетический обмен является особенностью,
присущей каждой живой клетке. Богатые 
энергией питательные вещества усваиваются 
и химически преобразуются, а 
конечные продукты обмена веществ с 
более низким содержанием энергии 
выделяются из клетки. Согласно первому 
закону термодинамики, энергия не исчезает
и не возникает вновь. Организмы 
должны получать энергию в доступной 
для них форме из окружающей среды 
и возвращать в среду соответствующее 
количество энергии в форме, менее 
пригодной для дальнейшего использования.

Около столетия тому назад французский 
физиолог Клод Бернар установил, что 
живой организм и среда образуют
единую систему, так как между 
ними происходит непрерывный обмен 
веществами и энергией. Нормальная
жизнедеятельность организма поддерживается
регуляцией внутренних компонентов, требующей 
затраты энергии. Использование 
химической энергии в организме 
называют энергетическим обменом: именно он служит показателем общего
состояния и физиологической активности
организма.

Обменные (или метаболические) процессы,
в ходе которых специфические 
элементы организма синтезируются 
из поглощенных пищевых продуктов,
называют анаболизмом; соответственно те метаболические процессы,
в ходе которых структурные элементы организма
или поглощенные пищевые продукты подвергаются
распаду, называют катаболизмом.

Цель работы: рассмотреть физиологию
процессов обмена веществ и энергии 
в организме.

Задачи работы:

– изучить влияние составных 
частей пищи (белков, жиров и углеводов) 
на формирование энергии в 
организме;

– рассмотреть  методы изучения обмена
веществ;

– оценить роль микроэлементов 
и витаминов в регуляции обмена 
веществ;

– изучить теплорегуляцию животных.

1. Общее представление об обмене веществ и энергии

Питание — это процесс
усвоения организмом веществ, необходимых
для построения и обновления тканей его
тела, а также для покрытия энергетических
затрат.

Использование пищевых средств, состоящих 
в основном из сложных соединений
растительного или животного 
происхождения, для энергетических
или пластических нужд организма 
возможно только после гидролиза 
этих средств и превращения в 
сравнительно простые соединения, лишенные
видовой специфичности. Пищевые 
потребности разных видов животных
различны в зависимости от того,
какие пищевые вещества организм
способен синтезировать и какие 
должны поступать извне. И все 
же в основном различия в пищевых 
потребностях обусловлены способами
переваривания (гидролиза) пищи. Это связано
с тем, что у высших животных организмов
промежуточные процессы обмена веществ
протекают сходным образом.

В обмене веществ (метаболизм) и энергии различают
два направленных процесса: анаболизм и катаболизм. Под анаболизмом понимают совокупность
процессов, направленных на построение
структур организма главным образом через
синтез сложных органических веществ;
под катаболизмом — совокупность процессов распада сложных
органических соединений и использование
образовавшихся при этом сравнительно
простых веществ в процессах энергообмена.
В основе анаболизма и катаболизма лежат
соответственно процессы ассимиляции и диссимиляции, которые в организме
взаимосвязаны и в нормальном организме
сбалансированы (см. рис. 1).

В целом потребности животных достаточно
однородны: они нуждаются в сходных 
по структуре питательных веществах 
для энергообмена; в веществах типа
аминокислот, пуринов и некоторых липидов
для построения сложных белковых молекул
и клеточных структур; в специальных катализаторах
обмена веществ и стабилизаторах клеточных
мембран; в неорганических ионах и соединениях
для физико-химических процессов в организме
и, наконец, в универсальном биологическом
растворителе — воде — для создания среды
клеточного обмена веществ.

Рис. 1. Общее представление об обмене
веществ и энергии

В конечном итоге в состав пищи
высокоорганизованных организмов входят органические
вещества, подавляющая часть которых относится
к белкам, липидам и углеводам. Продукты
их гидролиза — аминокислоты, жирные кислоты,
глицерин и моносахара — тратятся на энергообеспечение
организма. В процессах энергообмена аминокислоты,
жирные кислоты и моносахара взаимосвязаны
общими путями их превращения. Поэтому
как энергоносители пищевые вещества
могут взаимозаменяться в соответствии
с энергетической ценностью (правило изодинамии).

Энергетическую (калорическую) ценность
пищи оценивают по количеству тепловой
энергии, высвобождающейся при сгорании
1 г пищевого вещества (физиологическая
теплота сгорания), которую выражают традиционно в килокалориях
или по СИ — в джоулях (1 ккал = 4,187 кДж). Расчеты
показали, что энергетическая ценность
жиров (38,9 кДж/г; 9,3 ккал/г) в два раза выше,
чем белков и углеводов (17,2 кДж/г;
4,1 ккал/г). Белки и углеводы имеют одинаковую
энергетическую ценность и могут заменяться 1:1 в весовом соотношении.

Для поддержания стационарного 
состояния организма общие затраты 
энергии должны покрываться поступлением
пищевых веществ, несущих в своих 
химических связях эквивалентный запас 
энергии. Если количества поступающей 
пищи для покрытия энерготрат недостаточно,
то энерготраты компенсируются за счет
внутренних резервов, главным образом —
жира. Если же масса поступающей пищи по
энергоносителям превышает расход энергии,
то идет процесс запасания жира независимо
от состава пищи.

Однако следует всегда помнить,
что эти три источника энергии 
являются и пластическим материалом животного организма. Поэтому длительное
исключение одного из трех питательных
веществ из пищевого рациона и замена
энергетически эквивалентным количеством
другого вещества недопустимы.

1. Белки пищи

Белки, как известно, состоят из
аминокислот. Аминокислоты являются как 
источником синтеза структурных 
белков, ферментов, гормонов белковой
и пептидной природы и т.д.,
так и источником энергии.

Характеристика белков, входящих в 
состав пищевого рациона, включает не
только энергетическую ценность, но и 
спектр аминокислот. Это важный показатель,
так как даже после завершения
роста организм постоянно обновляет 
белковые структуры. Средний полупериод
распада белков тела — условная величина
и резко отличается у разных видов. Так,
полупериод распада белка тела человека
составляет 80 сут, а тела крысы — всего
лишь 17 сут. При этом следует иметь в виду,
что многие белковые структуры даже у
одного вида обновляются с разной скоростью.
Наиболее медленно обновляются мышечные
белки. Полупериод распада их у человека
составляет примерно 180 сут, а у крысы —
около 30 сут. Белки плазмы крови у человека
имеют полупериод распада около 10 сут,
а гормоны белково-пептидной природы «живут»
всего несколько минут.

У человека за 1 сут деградации и синтезу
подвергается около 400 г белка. Примерно
²/₃ образовавшихся в результате
деградации белка свободных аминокислот
используется на новый синтез белка, но
¹/₃ безвозвратно окисляется в
энергетических цепях и должна пополняться
экзогенными аминокислотами из пищи.

Каждый вид животных имеет широкий 
набор видоспецифических белков. Но
все многообразие белковых структур построено
из неповторимых комбинаций всего лишь
20 аминокислот. Часть этих аминокислот
синтезируется самим организмом из других
аминокислот, другая часть не может синтезироваться,
но должна обязательно поступать с пищей — незаменимые
аминокислоты. Этот термин означает лишь только, должны
или не должны те или иные аминокислоты
обязательно содержаться в пище. Заменимые
аминокислоты также важны для организма, как и незаменимые.

В организме высших животных и человека
10 из 20 аминокислот не синтезируются,
а следовательно, являются незаменимыми.
Другие 10 аминокислот, заменимые, могут
быть синтезированы в организме из незаменимых
аминокислот, а также из продуктов обмена
углеводов и липидов. Белки, содержащие
полный набор незаменимых аминокислот,
носят название биологически
полноценных белков.

За 1 сут в организм взрослого человека
должно поступать с пищей около 80−100 г
белка (1 г на 1 кг массы тела — белковый оптимум), причем 30 г белка
должно быть животного происхождения.
Животный белок почти полностью способен
превратиться в белковые структуры организма,
в то время как синтез животного белка
из растительного идет менее эффективно:
коэффициент превращения составляет 0,6−0,7.
Это связано главным образом с диспропорциями
незаменимых аминокислот между животным
и растительным белками. Поэтому при питании
растительными белками вступает в силу
«правило минимума», согласно которому
синтез животного белка зависит от той
незаменимой аминокислоты, которая поступает
с пищей в минимальном количестве. Взрослый
человек, подвергающийся средней физической
нагрузке, должен получать 100−120 г белка
в сутки, а при тяжелом физическом труде
суточная норма животного белка возрастает
до 150 г.

О количестве белка, подвергшегося 
в организме разрушению, судят 
по количеству азота> выводимого из организма (моча, пот). Это
делается на том основании, что азот входит
почти исключительно в состав белков (аминокислот).
Состояние, при котором количество поступившею
с пищей азота равно его количеству, выводимому
из организма, называют азотистым
равновесием.

При расчетах азотистою баланса 
исходят из тою факта, что в 
среднем в белке содержится примерно
16 % азота, т.е. каждые 16 г азота соответствуют
100 г белка, а следовательно, 1 г азота
соответствует 6,25 г белка.

Состояние, при котором количество
введенною с пищей азота меньше
его количества, выведенного из организма,
называют отрицательным азотистыми балансом. Под этим термином
подразумевают, что деградация белка доминирует
над его синтезом.

Существует понятие коэффициент
изнашивания Рубнера, который указывает, что потеря
белка составляет 0,028−0,065 г азота на 1 кг
массы взрослою человека в условиях покоя
в 1 сут (потеря белка у взрослою человека
массой 70 кг равна примерно 23 г/сут).

Однако потребление такою количества
белка не является минимально достаточным 
в суточном рационе. Это связано с тем,
что потребление белка вызывает так называемое специфически-динамическое
действие пищи — повышение энергообмена организма
после приема белковой пищи.

Давно установлено, что после приема
пищи возникает повышение энергообмена.
Так, при потреблении сбалансированной
пищи энергообмен возрастает примерно
на 6 % и составляет около 630−840 кДж, т.е.
около 10 % основного обмена. Раздельный
прием белков, жиров и углеводов показал,
что наиболее выраженная активация энергообмена
наблюдается после приема белков.

При белковом питании повышение 
энергообмена может составить 30−40 % общей
энергетической ценности белка, введенною
в организм. Повышение обмена начинается
примерно через 1,5−2 ч, достигает максимума
через 3 ч и продолжается 7−8 ч после приема
белка. Полагают, что это обусловлено большими
энерготратами на синтез АТФ из аминокислот,
чем из моносахаридов и жирных кислот.
Поэтому для поддержания азотистого равновесия
в организме требуется как минимум 30−45
г животного белка в 1 сут. Данная величина
и составляет так называемый физиологический
минимум белка.

Белок пищи в принципе не может 
депонироваться. Однако в условиях
белкового голодания в ряде тканей
активируется с помощью тканевых
протеиназ процесс деградации белка. Такими
источниками свободных аминокислот являются
белки плазмы, ферментные белки, белки
печени, слизистой оболочки кишечника
и мышц, что позволяет достаточно длительное
время поддерживать без потерь обновление
белков мозга и сердца.