Давыдова. Экология, обмен веществ и здоровье

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Учебное пособие

Барнаул 2012

УДК 57:574(072)

Рецензенты:

к.б.н., доцент кафедры зоологии и физиологии АлтГУ И.Ю. Воронина;

к.б.н., доцент кафедры общей биологии, физиологии и морфологии животных АГАУ О.Г. Грибанова.

Давыдова Н.Ю. Экология, обмен веществ и здоровье: учебное пособие. – Барнаул: Артика, 2012. – 151 с.

Учебное издание написано в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и учебных программ по дисциплинам «Биология с основами экологии» и «Безопасность жизнедеятельности» аграрных направлений подготовки.

Настоящее пособие охватывает основные вопросы, посвященные закономерностям обмена веществ человека, влиянию окружающей среды на здоровье человека. Значительное место уделяется вопросам здоровья человека и поддержанию его в современных условиях. Акцентировано внимание студентов на наиболее сложных вопросах изучаемых дисциплин.

Предназначено для студентов аграрных направлений подготовки по дисциплинам «Биология с основами экологии» и «Безопасность жизнедеятельности» всех форм обучения.

Рекомендовано к изданию методической комиссией факультета биолого-технологического менеджмента АГАУ (протокол № 11 от

27 июня 2012 г.).

© Давыдова Н.Ю., 2012 © ФГБОУ ВПО АГАУ, 2012

2

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития общества все более значимой становится проблема взаимоотношений человека с окружающей средой. Важный показатель результата этого взаимодействия – здоровье человека. Изучением закономерностей отношений человека, групп населения и, в целом, человечества занимается междисциплинарное направление – экология человека, обобщающая результаты медикобиологических, общественных и технических наук, а также наук о Земле.

Справедливо отмечено, что постоянство внутренней среды – гомеостаз является необходимым условием жизнедеятельности любого организма. Биологической основой здоровья человека является способность организма поддерживать стабильность гомеостаза. В зависимости от степени этой стабильности человек по-разному реализует свой биологический и социальный потенциал. Уровень стабильности гомеостаза изменяется в определенном диапазоне на протяжении всей жизни и в каждый конкретный период времени под влиянием факторов внешней среды.

Как говорится в известной поговорке «Береги честь смолоду», так и здоровье необходимо поддерживать с самых ранних лет. В период детства формировать здоровье ребенку помогают родители, а вот в подростковый и юношеский периоды, когда рост и развитие организма протекают особенно бурно, необходимо научиться грамотно прилагать собственные усилия. Это особенно актуально в современных условиях, когда велико влияние неблагоприятных факторов внешней среды.

Настоящее учебное пособие является продолжением и дополнением учебного пособия «Биология, экология и здоровье человека», изданного в 2011 году. В пособии подробно освещены вопросы, посвященные обмену веществ, где в форме таблиц приведены описания незаменимых аминокислот, витаминов и микроэлементов, а также даны рекомендации по их совместному употреблению. Рассмотрены вопросы воздействия неблагоприятных факторов на организм человека и

4

предложены возможные пути их нейтрализации. Описаны факторы, негативно влияющие на здоровье человека, а также объяснены механизмы его поддержания в современных условиях. В конце каждой главы предлагается список вопросов для самоконтроля.

Учебное пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов при изучении дисциплин «Биология с основами экологии» и «Безопасность жизнедеятельности». Рекомендуется для подготовки к лабораторно-практическим занятиям, к тестированию как непосредственно в процессе обучения, так и при контроле знаний студентов в форме Интернет-экзамена. Тезисность и наглядность пособия позволяют студентам быстро усвоить представленный материал и при необходимости вспомнить изученный.

5

Глава 1. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ ЧЕЛОВЕКА

ИЕГО ЗАКОНОМЕРНОСТИ

1.1.Общие понятия об обмене

Обмен веществ и энергии (метаболизм) – это совокупность процессов превращения веществ и энергии в организме человека, а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой.

Обмен веществ заключается в поступлении из внешней среды различных веществ (пищи, воды, кислорода), в превращении и использовании их в процессах жизнедеятельности и в выделении образующихся продуктов распада в окружающую среду. На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности реакций, которые протекают не хаотически, а в строго определенной последовательности и регулируются множеством механизмов.

На протяжении жизни человека происходит постоянная гибель одних клеток и замещение их другими, появившимися в результате деления. Новые клетки образуются из элементов, полученных организмом из окружающей среды, т.е. взятых из пищи. При этом организм постоянно тратит энергию: на синтез органических соединений, работу различных органов, транспорт, движение, поддержание постоянной температуры тела и т.д. Энергию он берет, расщепляя составные части пищи, точнее, окисляя их с участием кислорода. В результате этого образуется АТФ – «разменная монета энергии клетки». В дальнейшем клетки, расщепляя АТФ, получают столь необходимую им энергию, т.е. в организме человека обмен веществом и обмен энергией – это два проявления единого процесса.

Организм человека – это открытая саморегулирующаяся система, она поддерживает свою целостность посредством поступления вещества и энергии, заключенных в пище. Питательные вещества, поступившие в организм с пищей, являются генетически чужеродными, поэтому в процессе пищеварения высокомолекулярные вещества расщепляются на низкомолекулярные, пригодные к всасыванию и дальнейшему потреблению организмом (рис. 2). Конечные продукты расщепления всасываются в кровь или лимфу, разносятся по всему организму и могут быть использованы клетками для процессов жизнедеятельности.

6

Пища лучше усваивается организмом человека, если она размельчена и раздроблена. Процессы механической обработки пищи и химического расщепления питательных веществ осуществляются пищеварительной системой. Огромную роль в пищеварении играют различные ферменты – органические веществ белковой природы, которые ускоряют (катализируют) все процессы в клетке. Окисление органических веществ (получение энергии) происходит при обязательном участии кислорода, поступление которого в организм обеспечивается дыхательной системой, которая также осуществляет выведение конечных продуктов окисления веществ – углекислого газа. Мочевыделительная система и кожа обеспечивают выведение из организма конечных продуктов обмена (мочевина, мочевая кислота, креатинин, ацетоновые тела). Поэтому эти системы, обслуживающие процессы обмена веществ и энергии, объединяют в группу систем обмена.

Обмен веществ и энергии можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса (рис. 1): диссимиляция (распад) и ассимиляция (синтез).

Рис. 1. Обмен веществ и превращение энергии на уровне организма [7]

•Диссимиляция (катаболизм, энергетический обмен) – это со-

вокупность процессов расщепления сложных молекул до более простых с образованием энергии. Катаболизм обеспечивает извлечение химиче-

7

ской энергии из содержащихся в пище молекул и использование этой энергии на обеспечение необходимых функций. Например, образование свободных аминокислот в результате расщепления поступающих с пищей белков и последующее окисление этих аминокислот в клетке с образованием СО2 и Н2О, что сопровождается высвобождением энергии. К конечным продуктам метаболизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в сут.), двуокись углерода (около 230 мл/мин.), окись углерода (0,007 мл/мин.), мочевина (около 30 г/сут.), а также другие вещества, содержащие азот (примерно 6 г/сут.).

•Ассимиляция (анаболизм, пластический обмен) – это сово-

купность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей). Он обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур. Анаболизм заключается в химической модификации и перестройке поступающих с пищей молекул в другие более сложные биологические молекулы.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия. Преобладание процессов синтеза над процессами распада приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов – к частичному разрушению тканевых структур. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста (в детском возрасте преобладает анаболизм, у взрослых обычно наблюдается равновесие, в старческом возрасте преобладает катаболизм), состояния здоровья, выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки.

Постоянный обмен веществ и энергии с окружающей его средой является одним из основных условий существования и жизнедеятельности человека (рис. 1). Это один из важнейших признаков живой системы – энергозависимость. Количество поглощенной и выделенной организмом энергии равно. Однако форма этих видов энергии существенно различается: организм получает энергию только в доступной для него форме, в то время как выделяет энергию в форме, менее пригодной для дальнейшего потребления.

1.2. Основные показатели обмена

Потребность организма человека в энергии характеризуется таким ее уровнем потребления с пищей, при котором на фоне неизменной массы тела, физической активности и соответствующих ско-

8

ростях роста и обновления организма достигается энергетический баланс поступления и расхода энергии. Энергетический обмен служит показателем общего состояния и физиологической активности организма.

Единица измерения энергии, обычно применяемая в биологии и медицине, – калория (кал). Она определяется как количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 г воды на 1°С. В Международной системе единиц (СИ) при измерении энергетических величин используется джоуль (1 ккал = 4,19 кДж). Количество энергии, выделяемой при окислении какого-либо соединения, не зависит от числа промежуточных этапов его распада. При окислении углеводов выделяется 17,17 кДж/г (4,1 ккал/г), окисление 1 г жира дает 38,96 кДж (9,3 ккал). Запасание энергии в форме жира является наиболее экономичным способом длительного хранения энергии в организме. Белки окисляются в организме не полностью. Аминогруппы отщепляются от молекулы белка и выводятся с мочой в форме мочевины, поэтому при окислении белка в организме выделяется

17,17 кДж/г (4,1 ккал/г).

Почти половина всей энергии, получаемой в результате катаболизма, теряется в виде тепла. Если человек не совершает работу, то практически вся генерируемая им энергия теряется в форме тепла (например, у человека, лежащего в постели). Следовательно, величина теплопродукции является точным выражением величины обмена в организме человека.

Интенсивность энергетического обмена значительно варьирует и зависит от многих факторов. Поэтому для сравнения энергетических затрат у разных людей была введена условная стандартная величина – основной обмен.

Под основным обменом понимают минимальный уровень энергозатрат, необходимых для поддержания жизнедеятельности организма в условиях относительно полного физического и эмоционального покоя.

В состоянии относительного покоя энергия затрачивается на осуществление функций нервной системы, постоянно идущий синтез веществ, работу ионных насосов, поддержание температуры тела, работу дыхательной мускулатуры гладких мышц, работу сердца и почек. Определение основного обмена производится в строго контролируемых стандартных условиях:

1) при комфортной температуре (18-20 градусов тепла);

9

2)в положении лежа (но обследуемый не должен спать);

3)в состоянии эмоционального покоя, так как стресс усиливает метаболизм;

4)натощак, т.е. через 12-16 ч после последнего приема пищи. Основной обмен зависит от пола, возраста, роста и массы тела

человека. Величина основного обмена в среднем составляет 1 ккал в 1 ч на 1 кг массы тела. У мужчин в сутки основной обмен приблизительно равен 1700 ккал, у женщин основной обмен на 1 кг массы тела примерно на 10% меньше, чем у мужчин.

Энергетические затраты в расчете на 1 г массы тела могут колебаться в больших пределах. Интенсивность основного обмена более тесно связана с размерами поверхности тела, что обусловлено прямой зависимостью величины отдачи тепла от площади поверхности тела.

Величина основного обмена зависит от соотношения в организме процессов анаболизма и катаболизма. Преобладание в детском возрасте процессов синтеза в обмене веществ над процессами распада обусловливает более высокие значения величин основного обмена у детей (1,8 ккал/кг/ч и 1,3 ккал/кг/ч у детей 7 и 12 лет соответственно) по сравнению со взрослыми людьми (1 ккал/кг/ч), у которых уравновешены процессы анаболизма и катаболизма. Так, суточный расход энергии возрастает у детей с 800 ккал (6 мес.-1 год) до 2850 ккал (11-14 лет). Резкий прирост энергозатрат имеет место у подростковюношей 14-17 лет (3150 ккал). Величина основного обмена с увеличением возраста постепенно снижается: после 40 лет энергозатраты снижаются и к 80 годам составляют около 2000-2200 ккал/сут.

Интенсивность обменных процессов в организме значительно возрастает в условиях физической нагрузки. Разница между величинами энергозатрат организма на выполнение различных видов работ и энергозатрат на основной обмен составляет так называемую рабочую прибавку. Предельно допустимая по тяжести работа, выполняемая на протяжении ряда лет, не должна превышать по энергозатратам уровень основного обмена для данного индивидуума более, чем в три раза.

Потребление кислорода при физической нагрузке не отражает общего расхода энергии, так как часть ее тратится на окисление без кислорода – анаэробный обмен и не требует затраты кислорода. Разность между потребностью в кислороде и его потреблением составляет энергию, получаемую в результате анаэробного распада, и называется кислородным долгом. Потребление кислорода до и после окончания

10