Обмен веществ и энергии. 
Возрастные особенности обмена веществ

В результате освоения данной главы студент должен: знать

• • этапы обмена веществ и энергии: анаболизм и катаболизм;
• • характеристику общего и основного обмена;
• • специфическое динамическое действие пищи;
• • способы оценки энергозатрат организма;
• • возрастные особенности обмена веществ; уметь
• • объяснять значение обмена веществ для организма человека;
• • связывать возрастные особенности обмена веществ с расходом энергии в разные возрастные периоды;

владеть

• знаниями об участии пищевых веществ в обмене веществ.

Характеристика обмена веществ в организме

Обмен веществ, или метаболизм (от греч. metabole — превращение), — это совокупность химических и физических превращений, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой. В обмене веществ и энергии выделяют два противоположных взаимосвязанных процесса: анаболизм, лежащий в основе ассимиляции, и катаболизм, основу которого составляет диссимиляция.

Анаболизм (от греч. anabole — подъем) — совокупность процессов синтеза тканевых и клеточных структур, а также необходимых для жизнедеятельности организма соединений. Анаболизм обеспечивает рост, развитие и обновление биологических структур, накопление энергетического субстрата. Энергия накапливается в виде высокоэнергетических фосфатных соединений (макроэргов), таких как АТФ.

Катаболизм (от греч. katabole — сбрасывание вниз) — совокупность процессов распада тканевых и клеточных структур и расщепления сложных соединений для энергетического и пластического обеспечения процессов жизнедеятельности. При катаболизме высвобождается химическая энергия, которая используется организмом для поддержания структуры и функции клетки, а также для обеспечения специфической клеточной активности: сокращения мышц, выделения секрета желез и т. д. Конечные продукты катаболизма — вода, углекислый газ, аммиак, мочевина, мочевая кислота и др. — удаляются из организма.

Таким образом, катаболические процессы поставляют энергию и исходные вещества для анаболизма. Анаболические процессы необходимы для построения и восстановления структур и клеток, формирования тканей в процессе роста, для синтеза гормонов, ферментов и других соединений, необходимых для жизнедеятельности организма. Для реакций катаболизма они поставляют подлежащие расщеплению макромолекулы. Процессы анаболизма и катаболизма взаимосвязаны и находятся в организме в состоянии динамического равновесия. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста, состояния здоровья, выполняемой физической или психической нагрузки. У детей преобладание анаболических процессов над катаболическими характеризует процессы роста и накопления массы тканей. Наиболее интенсивное увеличение массы тела наблюдается в первые три месяца жизни — 30 г/сутки. К году она снижается до 10 г/сутки, в последующие годы снижение продолжается. Энергетическая стоимость роста также наиболее велика в первые три месяца и составляет около 140 ккал/сутки или 36% энергетической ценности пищи. От трех лет и до периода полового созревания она снижается до 30 ккал/сутки, а затем вновь возрастает — до 110 ккал/сутки. Анаболические процессы более интенсивны у взрослых людей в период выздоровления после болезни. Преобладание катаболических процессов характерно для людей старых или истощенных тяжелой длительной болезнью. Как правило, это связано с постепенным разрушением тканевых структур и выделением энергии.

Суть обмена веществ состоит в поступлении в организм различных питательных веществ из внешней среды, усвоении и использовании их в качестве источников энергии и материала для построения структур организма и выделении образующихся в процессе жизнедеятельности продуктов обмена во внешнюю среду. В связи с этим выделяют четыре основные составляющие функции обмена'.

• • извлечение энергии из окружающей среды в форме химической энергии органических веществ;
• • превращение питательных веществ, поступающих с нищей, в более простые вещества, из которых образуются макромолекулы, составляющие компоненты клеток;
• • сборка белков, нуклеиновых кислот и других клеточных компонентов из этих веществ;
• • синтез и разрушение молекул, необходимых для выполнения различных специфических функций организма.

Обмен веществ в организме происходит в несколько этапов. Первый этап — превращение пищевых веществ в пищеварительном тракте. Здесь сложные вещества нищи расщепляются до более простых — глюкозы, аминокислот и жирных кислот, способных всасываться в кровь или лимфу. При расщеплении питательных веществ в ЖКТ выделяется энергия, которая получила название первичной теплоты. Она используется организмом для поддержания температурного гомеостаза.

Второй этап превращения веществ проходит внутри клеток организма. Это так называемый внутриклеточный, или промежуточный, обмен. Внутри клетки продукты первого этапа обмена — глюкоза, жирные кислоты, глицерин, аминокислоты — окисляются и фосфорилируются. Эти процессы сопровождаются высвобождением энергии, большая часть которой запасается в макроэргичсских связях АТФ. Продукты реакции обеспечивают клетку строительными блоками для синтеза разнообразных молекулярных компонентов. Решающая роль при этом принадлежит многочисленным ферментам. При их участии внутри клетки осуществляются сложные химические реакции окисления и восстановления, фосфорилирования, переаминирования и др. Обмен веществ в клетке возможен лишь при интеграции всех сложных биохимических превращений белков, жиров и углеводов при участии общих для них источников энергии (АТФ) и за счет существования общих предшественников или общих промежуточных веществ. Общий энергетический запас клетки образуется за счет реакции биологического окисления.

Биологическое окисление бывает аэробным и анаэробным. Аэробные (от лат. аег — воздух) процессы требуют наличия кислорода, осуществляются в митохондриях и сопровождаются накоплением большого количества энергии, покрывающей основные энерготраты организма. Анаэробные процессы протекают без участия кислорода, в основном в цитоплазме и сопровождаются накоплением небольшого количества энергии в виде АТФ, используемой для удовлетворения ограниченных кратковременных потребностей клетки. Так, для мышечной ткани взрослого человека характерны аэробные процессы, в то время как в энергетическом обмене плода и детей первых дней жизни преобладают анаэробные процессы.

При полном окислении 1 М глюкозы или аминокислот образуется 25,5 М АТФ, а при полном окислении жиров — 91,8 М АТФ. Энергия, запасенная в АТФ, используется организмом для совершения полезной работы и превращается во вторичную теплоту. Таким образом, энергия, высвобождаемая при окислении питательных веществ в клетке, в конечном счете, превращается в тепловую энергию. В результате аэробного окисления продукты питательных веществ превращаются в С0₂ и Н₂0, безвредные для организма.

Однако в клетке может происходить и прямое соединение кислорода с окисляемыми веществами без участия ферментов, получившее название свободнорадикального окисления. При этом образуются высокотоксичные для организма свободные радикалы и перекиси. Они повреждают мембраны клетки и разрушают структурные белки. Предупреждением такого вида окисления является употребление в пищу витаминов Е, А, С и др., а также микроэлементов (Se и др.), которые превращают свободные радикалы в стабильные молекулы и предупреждают образование ядовитых перекисей. Это обеспечивает нормальное течение биологического окисления в клетке.

Конечный этап обмена веществ — выделение продуктов распада с мочой и экскретами потовых и сальных желез.

Пластический и энергетический обмены выступают в организме как единое целое, однако роль различных пищевых веществ в их осуществлении неодинакова. У взрослого человека продукты расщепления жиров и углеводов в основном используются для обеспечения энергетических процессов, а белков — для построения и восстановления структур клеток. У детей в связи с интенсивным ростом и развитием организма в пластических процессах участвуют углеводы. Биологическое окисление служит источником не только богатых энергией фосфатов, но и углеродных соединений, используемых при биосинтезе аминокислот, углеводов, липидов и других компонентов клетки. Этим объясняется значительно более высокая интенсивность энергетического обмена у детей.

Вся энергия химических связей поступающих в организм питательных веществ в итоге превращается в тепло (первичную и вторичную теплоту), поэтому по количеству образовавшегося тепла можно судить о величине энергетических затрат для осуществления жизнедеятельности.

Для оценки энергозатрат организма применяются методы прямой и непрямой калориметрии, с помощью которых можно определить количество тепла, выделенного организмом человека. Прямая калориметрия основана на измерении количества тепла, которое организм выделяет в окружающую среду (например, за час или за сутки). С этой целью человека помещают в специальную камеру — калориметр (рис. 12.1). Стенки калориметра омывает вода, по температуре нагрева которой судят о количестве выделенной энергии. Прямая калориметрия обеспечивает высокую точность оценки энергозатрат организма, но из-за громоздкости и сложности этот способ используется только для специальных целей.

Для определения энергозатрат человека чаще используется более простой и доступный метод непрямой калоримет-

Рис. 12.1. Метод прямой калориметрии.

Калориметр используется для исследований, проводимых на человеке. Суммарная выделяющаяся энергия состоит из: 1) возникающего тепла, измеряемого по повышению температуры воды, протекающей в змеевике камеры; 2) скрытой теплоты парообразования, измеряемой, но количеству водяных паров, извлекаемых из окружающего воздуха первым поглотителем Н₂0; 3) работы, направленной на объекты, находящиеся вне камеры. Потребление 0₂ измеряется по его количеству, которое приходится добавлять, чтобы содержание его в камере оставалось постоянным.

рии — по данным газообмена. Учитывая, что общее количество энергии, выделяемой организмом, является результатом распада белков, жиров и углеводов, а также зная количество энергии, выделяемой при распаде каждого из этих веществ (их энергетическую ценность), и количество распавшихся веществ за определенный промежуток времени, можно вычислить количество освобождающейся энергии. Чтобы установить, какие вещества подверглись в организме окислению (белки, жиры или углеводы), вычисляют дыхательный коэффициент (ДК), под которым понимают отношение объема выделенной углекислоты к объему поглощенного кислорода. Дыхательный коэффициент оказывается различным при окислении белков, жиров и углеводов. При наличии сведений об объемах поглощенного кислорода и выдохнутого углекислого газа метод косвенной калориметрии называется «полным газовым анализом». Для его выполнения необходима аппаратура, позволяющая определить объем углекислого газа. В классической биоэнергетике с этой целью используют мешок Дугласа, газовые часы, а также газоанализатор Холдена, в котором существуют поглотители углекислого газа и кислорода. Метод позволяет оценить процентное соотношение 0₂ и С0₂ в исследуемой пробе воздуха. По данным измерений рассчитывается объем поглощенного кислорода и выдохнутого углекислого газа.

Разберем сущность этого метода на примере окисления глюкозы. Суммарная формула распада углеводов выражается уравнением.

Для жиров ДК равен 0,7. При окислении белковой и смешанной пищи величина ДК принимает промежуточное значение: между 1 и 0,7.

Испытуемый берет в рот мундштук мешка Дугласа (рис. 12.2), его нос закрывают зажимом, и весь выдыхаемый за определенный промежуток времени воздух собирается в резиновый мешок.

Объем выдыхаемого воздуха определяется с помощью газовых часов. Из мешка берут пробу воздуха и определяют в ней содержание кислорода и углекислого газа. Содержание газов во вдыхаемом воздухе известно. По разности в процентах вычисляют количество потребленного кислорода, выделенного углекислого газа и ДК:

Зная величину ДК, находят калорический эквивалент кислорода (КЭО2) (табл. 12.1), т. е. количество тепла, образующегося в организме при потреблении 1 л кислорода.

Рис. 12.2. Мешок Дугласа, используемый для определения легочной вентиляции.

Умножив значение КЭ0₂ на количество литров потребленного 0₂, получают величину обмена за тот промежуток времени, в течение которого определялся газообмен.

По ней определяют суточную величину обмена.

В настоящее время существуют автоматические газоанализаторы, позволяющие одновременно определить объем потребляемого 0₂ и объем выдохнутого С0₂. Однако большинство имеющихся медицинских приборов позволяет определить лишь объем поглощенного 0₂, поэтому в практике широко используется метод косвенной калориметрии, или неполный газовый анализ. В этом случае определяется лишь объем поглощенного 0₂, поэтому расчет ДК невозможен. Условно принимают, что в организме окисляются углеводы, белки, жиры. Считается, что ДК в этом случае равен 0,85. Ему соответствует КЭ0₂, равный 4,862 ккал/л. Дальнейшие расчеты проводятся, как и при полном газовом анализе.

Таблица 12.1

Значение ДК и КЭ0₂ при окислении в организме различных питательных веществ.