Физиология обмена веществ и энергии

Обмен веществ и энергии – совокупность физических, химических и физиологических процессов, в результате которых происходит превращение сложных пищевых веществ в относительно простые химические соединения, которые усваиваются организмом с образованием энергии.

В результате образуется 3 основных вида энергии – тепловая, механическая, электрическая (расположены по убыванию объема).

Интенсивность всех обменных процессов выражают в тепловых единицах – калориях.

Энергия необходима для:

- поддержания оптимальной температуры тела;

- выполнения механической работы;

- обеспечения воспроизводства клеточных структур.

Обмен веществ обеспечивает пластические и энергетические потребности.

Пластические потребности удовлетворяются за счет использования структурных элементов, употребленных в пищу пищевых веществ, используемых для построения новых биологических структур.

Энергетические потребности удовлетворяются за счет преобразования потенциальной химической энергии питательных веществ в энергию макроэргических (АТФ) и восстановленных (НАДФ) соединений.

Энергия этих веществ необходима для:

- синтеза собственных белков, нуклеиновых кислот, липидов, компонентов клеточных мембран, компонентов органелл;

- выполнения клеткой утилизации энергии.

Таким образом, обмен веществ – совокупность двух тесно взаимосвязанных между собой, но разнонаправленных процессов анаболизма и катаболизма.

Анаболизм – совокупность биосинтеза органических веществ, компонентов клеток, органов и тканей. Обеспечивает рост, развитие, обновление клеточных структур и непрерывный синтез макроэргов и их накопление.

Катаболизм – совокупность процессов расщепления сложных молекул, компонентов клеток до простых веществ и конечных продуктов метаболизма.

Два вида катаболизма – бескислородный (анаэробный) и кислородный.

В ходе анаэробного расщепления глюкозы или ее резервного субстрата (гликогена) идет превращение 1 моль глюкозы в 2 моль лактата, производится 2 молекулы АТФ. Энергия, образующаяся в ходе этого обмена, не может полностью обеспечить функции организма, а только кратковременные энергетические затраты организма.

В норме процесс анаболизма и катаболизма находятся в организме в динамическом равновесии лишь с временным преобладанием одного над другим. Это зависит от индивидуальных особенностей, климата, возраста.

Для определения величины энергообразования используется калориметрия (прямая и непрямая).

Прямая калориметрия основана на непосредственном учете тепла рассеиваемого организмом в процессе катаболизма. Для этого используются биокалориметры (напр. биокалориметр Этуотера-Бенедикта). Он представляет собой теплоизолированное помещение с системой жизнеобеспечения. Главный элемент – теплообменник – система труб, окутывающих комнату, по которым циркулирует теплоноситель (вода или масла).

Q = Cm(t о 2 – t о 1 ), где C – удельная теплоемкость, m – масса теплоносителя.

Этот метод самый точный, но громоздкий и используется только в экспериментах.

Непрямая калориметрия основана на том, что в процессе обмена веществ происходит потребление кислорода и выделение углекислого газа. Основной метод – Дугласа-Холдена:

- биологический объект, у которого за определенное время собирают воздух;

- определяют в выдохнутом воздухе %кислорода и % углекислого газа;

- определяют общий объем выдохнутого воздуха в единицу времени;

- рассчитывают дыхательный коэффициент;

- определяют по величине дыхательного коэффициента калорический эквивалент кислорода;

Дыхательный коэффициент (Д.К.) – отношение количества выдохнутого углекислого газа к количеству потребленного кислорода.

Выдыхаемый воздух: концентрация CO2 = 4%, О2 =17%.

Д.К. показывает, какие вещества в данный момент времени окисляются в организме.

Д.К.=1 – для расщепления углеводов

Распад разных веществ требует разное количество О2 и определяется выделенным теплом.

Калорический (тепловой) эквивалент О2 при распаде вещества:

белки=4,1 ккал;

жиры=9,3 ккал;

углеводы=4,1 ккал.

Калорический (тепловой) эквивалент О2 – это количество тепла, образующегося при окислении в организме 1 л О2 в зависимости от того, какое количество вещества окисляется./

- определение общего числа потребленного О2 ;

- расчет количества энергии.

Основной обмен – это минимальный уровень энергозатрат, необходимых для поддержания жизнедеятельности организма в условиях относительного физического, психического и эмоционального покоя. В этих условиях энергия затрачивается на осуществление функций нервной системы, ионных насосов, поддержания температуры тела, дыхательной мускулатуры, сердечной мышцы, гладких мышц внутренних органов и сосудов, работы почек.

Величина основного обмена (ВОО) определяется утром, в положении лежа, при максимальном расслаблении мышц, в состоянии бодрствования, в условиях температурного комфорта, натощак через 12-14 часов после последнего приема пищи.

Для взрослых ВОО 1 ккал/кг/час (4,19 кДж). Для взрослого мужчины весом 70 кг ВОО = 1700 ккал/сут. Для женщин = 1500 ккал/сут.

ВОО очень тесно связана с площадью поверхности тела (величина отдачи тепла зависит от площади поверхности тела).

У теплокровных с разными размерами тела с 1м 2 поверхности тела в окружающую среду рассеивается относительно одинаковое количество тепла.

На этом основании Рубнер формулировал закон: «Энергетические затраты теплокровного организма пропорциональны величине поверхности тела».

Должная ВОО рассчитывается по таблицам (таблицы Гарриса-Бенедикта наиболее точные), формулам (форм.Дрейера) с учетом пола, возраста, роста, массы тела.

Формула Дрейера:

Должная ВОО = W/K * A * 0,13(3), где W – масса человека в граммах, K – константа половая (для мужчин = 0,1015; для женщин = 0,1129), А – возраст объекта.

Валовый обмен веществ – основной обмен + рабочая прибавка.

Рабочая прибавка – это дополнительные энергозатраты, обусловленные физическим трудом.

Специфическое динамическое действие пищевых веществ (СДДПВ) – усиление интенсивности обмена веществ под влиянием приема пищи и усиления энергетических затрат организма относительно уровня обмена веществ до приема пищи.

СДДПВ обусловлено:

- усилением переваривания;

- энергозатратами на всасывание в кровь и лимфу питательных веществ;

- ресинтезом белковых и липидных молекул, специфичных для организма;

- влиянием на метаболизм биологически активных веществ пищи.

СДДПВ возрастает в течение трех часов и продолжается от 12 до 18 часов.

Три основные группы пищевых веществ – белки, жиры и углеводы.

Белки повышают интенсивность обмена на 30%, смешанная пища – на 6-15%

Роль белков в организме:

У здорового человека количество разрушающегося белка равно количеству ресинтезирующегося белка. Все живые существа могут усваивать азот только из аминокислот.

Незаменимые аминокислоты не синтезируются в организме, следовательно, должны обязательно поступать извне. К незаменимым аминокислотам относятся: валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин. Для детей незаменимыми также являются гистидин и аргинин.

Скорость распада и скорость обновления белка различно и характеризуется периодом полураспада белка:

- гормоны пептидной природы имеют период полураспада от минуты до нескольких часов;

- белки плазмы – сутки;

- мышечные белки – до 80 дней.

Все белки полностью обновляются за 80 суток. О суммарном количестве распавшегося белка судят по количеству выделенного азота. В 100% белка находится 16% азота. Выделение 1г азота соответствует распаду 6,25г белка. В норме выделяется 3,7г азота (примерно 23г белка).

0,028 – 0,075г азота/кг массы тела/сут – коэффициент изнашивания по Рубнеру.

Азотистый баланс: равновесие, отрицательный, положительный.

ВОЗ рекомендует потребление белка не менее 0,75г/кг массы тела/сут.

Для взрослого человека это составляет примерно 52,5г легкоусвояемого белка.

Липиды:

Это нейтральные сложные эфиры жирных кислот. Примерно 50% потребности энергии взрослого человека.

Триацилглицериды (ТАГ) запасы – от 10 до 20% массы тела (½– подкожная жировая клетчатка, ½ - большой сальник, в области гениталий, подмышек). Являются источником эндогенной воды в организме.

При окислении 100г жира образуется 107г воды.

Бурый жир: в организме имеет такой оттенок, т.к. в нем находится множественные окончания симпатических нервных волокон, митохондрии. За счет этого может легко мобилизоваться. У человека находится в межподлопаточной области, вдоль крупных сосудов грудной области, на шее. Составляет 0,1% от массы тела.

Специфика: в митохондриях бурых жировых клеток находится бурый специфический полипептид, способный разделять процессы окисления и образования АТФ.

Углеводы:

В основном – крахмал + гликоген.

В ЖКТ осуществляется расщепление углеводов до глюкозы, фруктозы, лактозы и галактозы. Общее количество гликогена, как депо углеводов – 150-200г. Углеводы (глюкоза) являются основным источником энергии для клеток ЦНС. А также играют пластическую роль, являясь составной частью нуклеотидов, нуклеиновых кислот.

Минеральные вещества:

Все растворены в жидкости внутренней среды организма. Образуемый ими полиэлектролит необходим для химических реакций.

- являются ко-факторами всех ферментативных реакций;

- создают необходимый уровень осмотического давления;

- обеспечивают кислотно-щелочное равновесие (КЩР);

- участвуют в процессе свертывания крови;

- участвуют в создании мембранного потенциала возбудимых тканей;

- обеспечивают возникновение ПД возбудимых тканей.

Микроэлементы: йод, железо, медь, марганец, цинк, фтор, хром, кобальт – содержатся в пище в очень малых количествах.

Витамины:

Группа разнородных по химической природе веществ, не синтезирующихся в организме или синтезирующиеся в очень малых количествах. Необходимы для роста и развития клеточных структур. Не являются поставщиками энергии, не выполняют пластические функции, но являются компонентами ферментных систем.

Регуляция обмена веществ и энергии:

Регуляция обмена веществ и энергии является мультипараметрическим процессом, включающим в себя регуляцию множества систем организма.

Роль центра в этой регуляции играют гипоталамические ядра: генерация чувства голода и насыщения, общее состояние организма.

В гипоталамусе расположены полисенсорные нейроны, реагирующие на изменение концентрации важнейших гомеостатических констант организма: глюкозы, ионов водорода, температуру крови, осмотическое давление.

Исполнительным отделом регуляции обмена веществ является ВНС. Медиаторы ВНС оказывают и прямое, и опосредованное влияние на метаболизм тканей.

Под управляющим влиянием гипоталамуса находится второй исполнительный отдел – эндокринный. Гормоны эндокринной системы оказывают влияние на рост, размножение, дифференцировку и развитие клеточных структур.

Все центры ствола находятся под контролем лимбической системы и коры больших полушарий.

Питание:

Питание – это поступление в организм и усвоение им веществ, необходимых для роста, жизнедеятельности и воспроизводства.

От качества пищи и режима питания зависят работоспособность, здоровье и продолжительность жизни. При составлении пищевых рационов необходимо:

- соблюдение режима питания;

- частота и периодичность приема;

- состав пищевых продуктов.

При выполнении физического труда соотношение белков, жиров и углеводов следующее: Б:Ж:У = 1:1,3:5,1

Пищевой рацион должен содержать разнообразные по калорийности продукты питания: белки – 55% от суточной нормы, жиры растительного происхождения – 33%

Общая калорийность суточного пищевого рациона:

1) 1 завтрак – 25%, 2 завтрак – 15%, обед – 35%, ужин – 25%;

или

2) завтрак – 35%, обед – 40%, ужин – 25%.

Принципы рационального питания:

- калорийность должна соответствовать энергетическим затратам;

- химический состав пищи должен удовлетворять потребностям в белках, жирах, углеводах, минеральных веществах, микроэлементах, витаминах, клетчатке;

- разнообразие пищевых продуктов;

- прием пищи в течение суток должен подчиняться определенному режиму, как по энергетическим затратам, так и по объему.