Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Физиология Обмена Веществ

СОДЕРЖАНИЕ

Белки
Жиры
Холестерин
Углеводы
Сахарный диабет
Витамины

Физиология обмена веществ

Обмен веществ представляет собой сложный процесс превращения химических элементов в организме, обеспечивающих его рост, развитие, деятельность и жизнь в целом.

В живом организме постоянно расходуется энергия, причем не только во время физической и умственной работы, а даже при полном покое (сне).

Обмен веществ состоит из двух противоположных, одновременно протекающих процессов. Первый — анаболизм, или ассимиляция, объединяет все реакции, связанные с синтезом необходимых веществ, их усвоением и использованием для роста, развития и жизнедеятельности организма. Второй — катаболизм, или диссимиляция, включает реакции, связанные с распадом веществ, их окислением и выведением из организма продуктов распада.

Обмен веществ представляет собой комплекс биохимических и энергетических процессов, обеспечивающих использование пищевых веществ для нужд организма и удовлетворения его потребностей в пластических и энергетических веществах.

Белки, жиры, углеводы и другие высокомолекулярные соединения расщепляются в пищеварительном тракте на более простые низкомолекулярные вещества. Поступая в кровь и ткани, они подвергаются дальнейшим превращениям — аэробному окислению, окислительному фосфорилированию и др. В процессе этих превращений (наряду с окислением до СО₂и Н₂О) происходит использование продуктов окисления для синтеза аминокислот и других важных метаболитов. И так, аэробное окисление сочетает в себе элементы распада и синтеза и является связующим звеном в обмене белков, жиров, углеводов и других веществ.

Хотя обмен веществ происходит непрерывно, видимая неизменность нашего тела вводила в заблуждение не только неискушенных в науке людей, но и некоторых ученых. Полагали, что в организме имеются два вида веществ, одни из которых идут на строительство тела, они неподвижны, статичны; другие же, используемые в качестве источника энергии, быстро перерабатываются.

Внедрение в биологические исследования меченых атомов позволило в экспериментах на животных установить, что во всех тканях и клетках обмен веществ происходит непрерывно: никакой разницы между «строительными» и «энергетическими» молекулами не существует. В организме все молекулы равным образом участвуют в обмене веществ. В среднем у человека каждые 80 дней меняется половина всех тканевых белков, ферменты печени (в ней идут особенно интенсивные реакции) обновляются через 2-4 ч, а некоторые даже через несколько десятков минут.

Обмен веществ обеспечивает присущее живому организму как системе динамическое равновесие, при котором взаимно уравновешиваются синтез и разрушение, размножение и гибель. В основе реакций обмена веществ лежат физико-химические взаимодействия между атомами и молекулами, подчиняющиеся единым для живой и неживой материи законам. Сказанное, разумеется, не означает, что жизнь сводится полностью к физико-химическим процессам. Живым организмам присущи свои особенности.

С обменом веществ неразрывно связан обмен энергии в организме. Живые организмы могут существовать только при условии непрерывного поступления энергии извне. И потому они постоянно нуждаются в энергии для выполнения различного рода работы — механической (передвижение тела., сердечная деятельность и т.д.); энергетической (создание разности потенциалов в тканях и клетках); химической (синтез веществ) и т.д.

Первичным источником энергии для человека (как и для всего живого на Земле) служит солнечное излучение. Пища образуется благодаря той же энергии Солнца. Начальное звено пищевой цепи — растения, аккумулирующие в процессе фотосинтеза солнечную энергию. В зеленом пигменте растений — хлорофилле под воздействием квантов света из воды и углекислого газа синтезируются органические вещества — основа жизни.

Состав пищи сложен и разнообразен. В ней больше всего главных пищевых веществ, к которым относятся белки, жиры, углеводы. Содержатся в пище и минеральные элементы — кальций, фосфор, натрий и др., их называют макроэлементами в отличие от микроэлементов, содержащихся в ней в ничтожно малых количествах (медь, кобальт, йод, цинк, марганец, селен и др.). Есть в пище и вкусовые вещества, которые придают ей особые свойства.

Белки

Белки — наиболее важная составная часть нашей пищи. Являясь основным строительным материалом для восстановления и обновления клеток и тканей организма, они участвуют в образовании ферментов, гормонов и усвоении других пищевых веществ. Кроме того, с белками связано осуществление и других жизненно важных функций организма (рост, размножение и т.д.).

Последними исследованиями показано, что белки определяют иммунитет (невосприимчивость организма к инфекционным и другим заболеваниям). Вот почему не правы сторонники голодания, чистого вегетарианства и др.

В состав пищевых белков входит около 20 аминокислот, причем восемь из них (триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин) не образуются в организме и являются незаменимыми аминокислотами. В настоящее время считают наиболее дефицитными три аминокислоты: триптофан, лизин, метионин; поэтому особенно важно обеспечить их поступление в организм. Этих аминокислот в продуктах растительного происхождения, и особенно в злаковых, содержится очень мало. В продуктах животного происхождения их больше (в частности лизина). Эти белки не только сами хорошо усваиваются, но и способствуют усвоению белков растительного происхождения, что обеспечивает сбалансированность аминокислотного состава поступающей в организм пищи.

В этом отношении для обеспечения аминокислотного состава, необходимого организму, целесообразно использовать различные сочетания продуктов, взаимно дополняющих друг друга. Например, употребление пшеничного хлеба с молоком более рационально с биологической точки зрения, чем употребление одного хлеба.

Не всегда разнообразное питание обеспечивает сбалансированное поступление пищевых веществ в организм.

Замечено, если употреблять в избытке мясные продукты, способствующие повышенному содержанию незаменимых аминокислот, в организме могут наступить нарушения функции органов и систем. Будет страдать прежде всего пуриновый обмен, выделительная функция почек и т.д.

При сгорании 1 г белка в организме освобождается около 4 ккал, энергии. Много белков животного происхождения содержат мясные, рыбные блюда (шницель мясной, бефстроганов, мясо отварное, рыба заливная и т.д.). Некоторые готовые блюда содержат оптимальное количество белков животного и растительного происхождения, например мясо, рыба с различными крупяными, овощными гарнирами. Особую ценность имеют белки рыбы. Они легко усваиваются организмом и по своим качествам не уступают белкам мяса и птицы. Кроме полноценного белка, рыба содержит витамины А и D, большое количество солей и микроэлементов (йод, цинк, фосфор и др.)

Исключительное значение имеют молоко и молочные продукты; ценность этих продуктов обусловлена благоприятным соотношением входящих в белки молока аминокислот, хорошей усвояемостью жира, молочного сахара, витаминов, минеральных солей и способностью связывать некоторые токсичные элементы и выводить их из организма. Поэтому не случайно с возрастом рекомендуется увеличить потребление молочных продуктов.

За 160 дней в организме происходит полная замена всех собственных белков. Средняя суточная потребность белка для служащего массой тела 70 кг составляет примерно 91 г в сутки, или 1.3 г/кг массы тела.

С увеличением интенсивности физического труда суточная потребность организма в белке может достигать 150 г и выше. Минимальная потребность белка составляет 0.7 г/кг нормальной массы тела.

Жиры

Жиры — незаменимые продукты питания в обеспечении многообразных жизненных функций организма. Они являются подлинным концентратом энергии. Жиры — обширный класс органических веществ, ведущее их назначение — энергообеспечение организма. Хорошо известно, что молекулы жира обладают большой энергоемкостью по сравнению с углеводами. Так, при сгорании (окислении) 1 г жира до конечных продуктов- воды и углекислого газа выделяется в 2 раза больше энергии, чем при окислении того же количества углеводов. Жиры являются аккумуляторами энергии, но сгорают они в пламени углеводов. Иными словами, чтобы жиры освободили энергию, необходимо достаточное количество углеводов и кислорода.

Хорошо известно, что длительное голодание легче переносят люди, имеющие толстую жировую прослойку. Велика роль жира как пластического материала и в сохранении теплового гомеостаза. Особое место здесь занимает подкожно-жировая клетчатка — скопление жировой ткани разной толщины под всей поверхностью кожи. Температура внутренних органов выше, чем температура кожи, подкожной клетчатки и мышц. Причем перепады температуры достаточно большие, температура лица может быть 18ºC, кистей — 10, в то время как температура внутренних органов остается неизменной, равной 37ºC. Это — результат теплового обмена организма за счет химических реакций, идущих с выделением тепла. Основной вклад в производство тепла вносят печень, головной мозг, скелетные мышцы, а сохраняет тепло, не давая ему рассеиваться в пространстве, подкожно-жировая клетчатка (жир — плохой проводник тепла).

Жировая ткань, будучи материалом рыхлым и мягким, «укутывает» хрупкие органы, предохраняй их от механических сотрясений и травм.

В организме жир в основном входит в состав различных органов и заполняет пространство между ними. Но есть орган, почти целиком состоящий из жира (или сала), который так и называется — сальник.

Жир наряду с белками используется в качестве пластического материала. Подробно разобраться в строении клетки и структуре мембран исследователям помог электронный микроскоп. Были обнаружены неизвестные ранее детали в морфологии клетки и ее компонентов, в том числе и мембран, что, в свою очередь, помогло установить их функции.

Прежде всего подчеркнем, что клетка сохраняет свое «лицо» благодаря оболочке, разделяющей клетку и окружающую среду.

Оболочка — сложное образование, своего рода «бутерброд», составленный из двойного слоя липидов, расположенных между двумя слоями белков. Белки не создают сплошной пленки, часть молекул находится вне липидов, а некоторые белки внедряются в липидный слой и даже его пронизывают.

С физико-химической точки зрения мембрана представляет собой полупроницаемую перепонку, сито, избирательно пропускающее одни и задерживающее другие вещества. Во внеклеточной среде (тканевой жидкости, омывающей клетки) преобладает натрий, которого мало в самой клетке, а концентрация калия в клетке в 40 раз, магния в 15 раз выше, чем во внеклеточном пространстве. Своеобразным пропуском для проникновения вещества сквозь мембрану в клетку служит способность вещества растворяться в липидах — жирорастворимые молекулы лучше проходят внутрь клетки, чем водорастворимые. В липидах растворяется и целая группа витаминов (A, D, E и др.). Вот почему морковь, содержащую большое количеств во необходимого для человека провитамина A (каротина), необходимо вводить с жирами (растительное масло, сметана).

Большая группа липидов — ненасыщенные жирные кислоты, которые, поступая в организм, способствуют нормальному обмену холестерина и этим предотвращают атеросклероз.

В настоящее время хорошо известно, что в клинике внутренних болезней при лечении атеросклероза с успехом используется подсолнечное, хлопковое, оливковое масло.

Ненасыщенные жирные кислоты входят и в структурную оболочку тканей и органов, придают им бактерицидные свойства. Меньшее количество ненасыщенных жирных кислот содержится в жирах животного происхождения. Значение их также велико для организма. Из желудочно-кишечного тракта жиры попадают через лимфу в легкие, где откладываются в большом количестве, предохраняя организм от простудных заболеваний.

В народной медицине известно, что тугоплавкие жиры (барсучье, собачье сало), потребляемые человеком, излечивали ряд легочных недугов (туберкулез легких). Однако избыточное введение животных жиров (сливочное масло, свиное сало) способствует развитию атеросклероза, понижению вентиляции легких и возникновению простудных заболеваний.

Избыточное введение в организм полиненасыщенных жирных кислот усиливает переокисление внутриклеточного жира, что повреждает мембраны и нарушает жизнедеятельность клеток. В день рекомендуется потреблять 25-30 г растительного масла и 50-60 г животных жиров.

Из ненасыщенных жирных кислот (в основном из арахидоновой) образуется большая группа биогенных веществ. Это — простагландины.

В последние годы изучением простагландинов занимаются во многих лабораториях мира. Объясняется такое пристальное внимание тем, что, по мнению некоторых ученых, открытие простагландинов знаменует новую эру в медицине, быть может, более важную, чем эра антибиотиков.

Свое название простагландины получили потому, что вначале их считали продуктом выделения предстательной железы (простаты). Первоначально было замечено, что мужская семенная жидкость активно воздействует на мышцы матки, попеременно вызывая ее сокращение и расслабление. Кроме того, выделения простаты расширяют кровеносные сосуды, что особенно заинтересовало врачей в плане возможности лечения гипертонической болезни. Дальнейшие исследования показали, что сосудорасширяющим (спазмолитическим) эффектом обладают вытяжки из семенных пузырьков простаты не только человека, но и животных.

Простагландины широко распространены в живой природе, они образуются не только в предстательной железе, но и вырабатываются чуть ли не во всех тканях организма, правда, в меньших количествах. Они обнаружены в мозге, селезенке, почках, легких, желудке, кишечнике, мышцах и даже в радужной оболочке глаз. А совсем недавно (в 70-х годах) простагландины выделили из растений.

Учеными было доказано, что из арахидоновой кислоты (предшественника простагландинов) образуются два вещества. Одно из них получило название простациклин, а второе — тромбиксан. Первое усиливает свертываемость крови и выделение адреналина, способствует спазму сосудов, повышению уровня сахара, липидов в крови, второе тормозит эти процессы. Эти два вещества взаимно регулируют жизненно важные функции организма.

В растительных жирах содержатся линолевая и линоленовая полиненасыщенные жирные кислоты. В животных жирах их меньше, но важно то, что они являются поставщиками арахидоновой кислоты. Из таблицы следует, что наиболее богато полиненасыщенными жирными кислотами подсолнечное масло. В этом отношении оно в 4 раза превосходит оливковое. Из животных жиров наиболее ценным является свиной, содержащий все полиненасыщенные жирные кислоты.

Липиды служат исходным материалом для синтеза ряда гормонов в организме. Например, стерины (холестерин) являются сырьем, из которого в железах внутренней секреции образуются стероидные мужские и женские половые гормоны и гормоны коры надпочечников, химической основой которых является стероидное ядро.

Половые гормоны — мужские (андрогены) и женские (эстрогены) — определяют тип скелета, развитие мышечной системы, степень отложения жира и его распределение в организме, тембр голоса, оволосение, особенности поведения и другие характерные черты, отличающие мужчину от женщины.

Гормоны коры надпочечников регулируют жировой, белковый, углеводный, водно-солевой обмен, а также кровяное давление, деятельность центральной нервной системы, почек и другие физиологические функции организма.

Итак, жиры в умеренном количестве необходимы для нормальной жизнедеятельности организма: их дефицит ведет к серьезным нарушениям, а подчас и гибели организма.

Однако избыточное поступление жира с пищей, повышенное отложение его в подкожно-жировой клетчатке, в печени таят в себе немалую опасность для здоровья. Это своеобразная «бомба замедленного действия». Жиры начинают расщепляться в желудочно-кишечном тракте, но процесс этот длительный, так как жир находится в недоступном для ферментов состоянии: ведь для расщепления жира сначала необходимо раздробить его на мельчайшие шарики, то есть эмульгировать.

Эмульгируется жир в тонком кишечнике желчью и затем всасывается в лимфу. Отметим, что в незначительном количестве жир может всасываться и в цельном виде, нерасщепленным. В стенке кишки из продуктов расщепления пищевого жира образуются крупные капли, получившие название «хиломикроны». Они богаты триглицеридами, холестерином и содержат очень небольшое количество белков и фосфолипидов.

Холестерин

Важную роль в жизнедеятельности организма играет холестерин. Подавляющая его часть синтезируется самим организмом, а около 20% поступает с пищей. При нарушении холестеринового обмена происходит отложение холестерина и его производных в стенках кровеносных сосудов, что является одной из причин атеросклероза.

Согласно данным сотрудников Всесоюзного кардиологического центра, повышенная концентрация холестерина и триглицеридов в крови отмечается в 7.1% случаев среди всех заболеваний атеросклерозом. А среди больных ишемической болезнью сердца гиперхолестеринемия, триглицеридемия выявлены в 75% случаев, одновременно отмечено снижение в крови альбуминов, которые, как мы знаем, связывают и переносят жиры в ткани.

Важнее значение в развитии атеросклероза имеет избыток холестерина., У млекопитающих служит предшественником образовании важнейших активных соединений, таких, как желчные кислоты, стероидные гормоны и витамин D₃.

Холестерин входит в состав клеточных и субклеточных мембран и влияет на проницаемость мембранного аппарата клеток. Большое количеств холестерина содержится в центральной нервной системе и миелиновых оболочках нервных волокон.

Известно также, что холестерин может выступать как агент, нейтрализующий действие ядовитых веществ.

Превращение холестерина в желчные кислоты тесно связано с выделительной функцией печени. Как известно, желчь в желчном пузыре содержит 86% воды и 14% сухота вещества, в состав которого входят желчные кислоты и пигменты, холестерин, нейтральные жиры, жирные кислоты, фосфатиды и другие соединения.

Различные заболевания печени воспалительной и токсической этиологии часто приводят к нарушению процесса образования и выделения холестерина. При стафилококковой инфекции и интоксикации появляется гиперхолестеринемия, которая создает благоприятные условия для выпадения холестерина в осадок.

Продукты, обладающие желчегонным действием, способствуют восстановлению нарушенного процесса холестериновыделения при различных заболеваниях печени и желчных путей.

Примерно четвертая часть всего холестерина, образуемого ежедневно, служит для синтеза стероидных гормонов в коре надпочечников и половых железах. В процессе биосинтеза кортикостероидов в коре надпочечников используется суммарный холестерин, основная масса которого поступает из крови, и лишь небольшая часть синтезируется в самих надпочечниках. Интенсивно изучается и образование половых гормонов из холестерина. Наиболее активный мужской половой гормон — тестостерон — может образоваться из ацетата холестерина и 17-оксипрогестерона. В семенниках наибольшая часть суммарного холестерина при участии ферментов преобразуется в андрогены. Указанное вещество служит и отдаленным предшественником в биосинтезе эстрогенов.

Холестерин — материнская субстанция для витамина D₃. Из холестерина в печени в результате дегидрирования возникает дегидрохолестерин, который в коже при воздействии солнечного света в результате фотохимической реакции превращается в витамин D₃.

Процесс дегидрирования происходит также в слизистой оболочке тонкого кишечника. Холестерин как структурный элемент представлен в клетках головного мозга и нервных волокон. На обмен холестерина влияет содержание пищевого жира и витамина C. Холестерин в крови находится в виде липопротеидов — соединения с белками крови. Белковая молекула имеет водорастворимую и жирорастворимую части.

Одним из основных факторов развития сердечно-сосудистых заболеваний является накопление в жидкой части крови повышенного количества жировых веществ и особенностей их агрегатного состояния (размеры, форма, растворимость и т.д.)

Знание этих нарушений представляет большой практический интерес в профилактике и лечений заболеваний сердца и сосудов. Выделяют следующие типы повышения количества жиров в крови (гиперлипидемий):

I тип — увеличение хиломикронов. Это болезненное состояние встречается редко, обусловлено наследственной недостаточностью ферментов. Болеют чаще дети и юноши. В подкожной жировой клетчатке часто образуются жировые ограниченные отложения (жировики). Сосудистые поражения встречаются редко. С целью профилактики в питании рекомендуется резко ограничить потребление жиров, особенно животного происхождения.

Углеводы

Русский ученый К. А. Тимирязев писал: «Давно замечено, что мы не обращаем внимания на самые замечательные факты только потому, что они слишком обыкновенны. Многим ли, действительно, приходит в голову, что ломоть хлеба, хорошо испеченного пшеничного хлеба... составляет одно из величайших изобретений человеческого ума».

Необходимыми компонентами для организма являются углеводы, которые попадают с растительной пищей, в том числе и с хлебом. Углеводы служат основным источником энергии. Свыше 56% энергии организм получает за счет углеводов, остальную часть — за счет белков и жиров.

Для деятельности головного мозга единственным поставщиком энергии является глюкоза. Углеводы обнаруживаются во всех без исключения органах и тканях. Они входят в состав оболочек клеток и субклеточных образований, принимают участие в образовании многих важнейших веществ.

Углеводы обладают способностью накапливаться в организме в виде гликогена в печени и мышцах.

Вязкие секреты, выделяемые различными железами, также богаты углеводами. Они предохраняют стенки органов (пищевод, кишки, желудок, бронхи и т.д.) от проникновения патогенных микробов, механических и термических повреждений. По химической природе углеводы являются органическими веществами, в состав которых входят углерод, кислород и водород.

В зависимости от сложности строения, растворимости, быстроты усвоения и использования для гликогенообразования углеводы пищевых продуктов подразделяются на простые углеводы: моносахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза), дисахариды (сахароза, лактоза, мальтоза) и сложные углеводы, или полисахариды (крахмал, гликоген, пектиновые вещества, клетчатка).

Моносахариды и дисахариды имеют несложную химическую структуру, обусловливающую легкую их расщепляемость. Все они легко растворяются в воде и быстро усваиваются. Коэффициент всасывания (количество сахара в граммах, всасываемого в течение 1 ч. на 100 г массы тела) для глюкозы — 0.178, фруктозы — 0.077. Таким образом, глюкоза всасывается примерно в 2 раза быстрее, чем фруктоза.

Простые углеводы обладают выраженным сладким вкусом и относятся к сахарам. Сладость сахаров различная. Если принять сладость дисахарида сахарозы (свекловичный или тростниковый сахар) за 100, то сладость сахаров будет выражаться следующими величинами (по Бистер — Вуду и Валину): сахарозы — 100, фруктозы — 173, инвертного сахара — 130, глюкозы — 74, ксилозы — 40, мальтозы — 32.5, рамнозы — 32.5, галактозы — 32.1, рафинозы — 22.6, лактозы-16. Таким образом, наибольшей сладостью отличается фруктоза, наименьшей — лактоза.

Наиболее распространенный моносахарид — глюкоза — содержится во многих плодах и ягодах, а также образуется в организме в результате расщепления дисахаридов и крахмала пищи. Глюкоза наиболее быстро и легко используется в организме для образования гликогена, для питания тканей мозга, работающих мышц (в том числе сердечной мышцы), для поддержания необходимого уровня сахара в крови и создания запасов гликогена печени. Она служит эффективным средством поддержания питания послеоперационных, ослабленных и других тяжелобольных. Во всех случаях при большом физическом напряжении глюкоза может использоваться как источник энергии.

Фруктоза обладает теми же свойствами, что и глюкоза, и может рассматриваться как ценный, легкоусвояемый сахар. Однако, она медленнее усваивается в кишечнике и, поступая в кровь, быстро покидает кровяное русло. Фруктоза в значительном количестве (до 70-80%) задерживается в печени и не вызывает перенасыщения крови сахаром. В печени фруктоза более легко превращается в гликоген по сравнению с глюкозой. Другим свойством фруктозы является сравнительно невысокая стойкость, в результате чего фруктоза начинает частично изменяться, уже при продолжительном кипячении. Фруктоза усваивается лучше сахарозы и отличается большей, сладостью. Высокая сладость фруктозы позволяет использовать меньшие ее количества для достижения необходимого уровня сладости продуктов и таким образом снизить общее потребление сахаров, что имеет значение при построении пищевых рационов ограниченной калорийности.

Избыток сахарозы оказывает влияние на жировой обмен, усиливая жирообразование. Установлено, что при избыточном поступлении сахара усиливается превращение в жир всех пищевых веществ (крахмала, жира, частично и белка). Таким образом, количество поступающего сахара, может служить в известной степени фактором, регулирующим жировой обмен. Обильное потребление сахара приводит к нарушению обмена холестерина и повышению его уровня в сыворотке крови. Избыток сахара отрицательно сказывается на функции кишечной микрофлоры. При этом повышается удельный вес гнилостных процессов в кишечнике, развивается метеоризм. Установлено, что в наименьшей степени эти недостатки проявляются при потреблении фруктозы. Основными источниками фруктозы являются фрукты и ягоды. Глюкоза и фруктоза широко представлены в меде: содержание глюкозы достигает 36.2%, фруктозы — 37.1%. В арбузах весь сахар представлен фруктозой, количество которой составляет 8%. Третий моносахарид — галактоза — в свободном виде в пищевых продуктах не встречается. Галактоза является продуктом расщепления основного углевода молока — лактозы.