Давыдова. Экология, обмен веществ и здоровье

мышечной работы остается высоким, так как в это время происходит возвращение кислородного долга. Кислород затрачивается на превращение главного побочного продукта анаэробного метаболизма – молочной кислоты и восстановление запасов кислорода в мышцах.

Суточный расход энергии у здорового человека значительно превышает величину основного обмена и складывается из следующих компонентов: основного обмена; рабочей прибавки, т.е. энергозатрат, связанных с выполнением той или иной работы; действия пищи. Совокупность компонентов расхода энергии составляет общий или рабочий обмен, рассчитывается за определенный промежуток времени, например, за сутки.

Степень энергетических затрат при различной физической ак-

тивности определяется коэффициентом физической активности –

отношением общих энергозатрат на все виды деятельности в сутки к величине основного обмена. По этому принципу все население делится на 5 групп (табл. 1).

Таблица 1

Суточный расход энергии человека в зависимости от уровня физической нагрузки [3]

Для людей, выполняющих легкую работу сидя, нужно 2400-2600 ккал в сутки, работающих с большей мышечной нагрузкой

– 3400-3600 ккал, выполняющих тяжелую мышечную работу – 4000-5000 ккал и выше. У тренированных спортсменов при кратковременных интенсивных упражнениях величина рабочего обмена может в 20 раз превосходить основной обмен.

11

При умственном труде энерготраты значительно ниже, чем при физическом. Даже очень интенсивный умственный труд, если он не сопровождается движениями, вызывает повышение затрат энергии лишь на 2-3% по сравнению с полным покоем. Однако если умственная активность сопровождается эмоциональным возбуждением, энерготраты могут быть заметно большими. Пережитое эмоциональное возбуждение может вызывать в течение нескольких последующих дней повышение обмена на 11-19%.

Прием пищи усиливает энергетический обмен (специфическое динамическое действие пищи). Белковая пища повышает интенсивность обмена на 2530%, а углеводы и жиры – на 10% или меньше.

Во время сна интенсивность метаболизма почти на 10% ниже основного обмена. Разница между бодрствованием в состоянии покоя и сном объясняется тем, что во время сна мышцы расслаблены.

При гиперфункции щитовидной железы основной обмен повышается, а при гипофункции – понижается. Понижение основного обмена происходит при недостаточности функций половых желез и гипофиза.

1.3. Химический состав тела человека

Тело человека, как и других живых организмов на Земле, состоит из неорганических и органических веществ (рис. 2).

Неорганическими называют вещества, в составе которых отсутствуют атомы углерода (кроме самого углерода, его оксидов, угольной кислоты, ее солей, родана, родановодорода, роданодов, циана, цианаводорода, цианидов).

Неорганические вещества присутствуют в виде ионов или в составе минеральных веществ. Сюда относятся вода и минеральные соли. Они не обладают высокой энергетической ценностью, однако без них жизнь невозможна. Минеральные соли выполняют строительную функцию в организме, например, входят в состав костной ткани. Кроме того, они включены в кислотно-щелочной и водно-солевой обменные процессы организма. Многие ферментативные процессы невозможны без участия минеральных веществ.

Органические вещества – это разнообразные соединения углерода, входящие в состав тела человека. В зависимости от размеров органические молекулы делят на низкомолекулярные, к которым относятся, например, витамины, и высокомолекулярные, или поли-

12

меры (белки, углеводы, жиры и нуклеиновые кислоты). Полимеры построены из мономеров, объединенных в цепи: белки – из аминокислот, углеводы или полисахариды – из моносахаридов, жиры – из глицерина и остатков жирных кислот, нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК)

– из нуклеотидов.

Химические вещества

Рис. 2. Химический состав тела человека

В дальнейшем изложении обмен органических веществ мы рассмотрим вначале, а затем обмен воды и минеральных веществ.

1.4. Обмен белков

Белки – это полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Все разнообразие белков представляет собой различное сочетание аминокислот. Именно особенности и последовательность аминокислот определяют свойства белков. Известно 20 аминокислот, и поскольку длина белка никак не ограничена, то число вариантов практически стремится к бесконечности. Белки составляют около 50% сухой массы организма.

13

Основные функции белков: структурная (пластическая – входят в состав клеточных структур), каталитическая (ферменты), двигательная (мышечные белки – актин и миозин), защитная (антитела), регуляторная (пептидные гормоны), транспортная (мембранные белки-переносчики, гемоглобин), механическая (обеспечивают прочность различных структур, например, коллаген и эластин в соединительной ткани), энергетическая (источник энергии), запасающая (эта функция присутствует только у кормящих матерей, у которых в молоке присутствуют специальные белки, например, казеин, которые используются новорожденным).

Этапы и закономерности обмена белков: расщепление белков пищи начинается в желудке и завершается в тонкой кишке. Продуктами расщепления являются аминокислоты, которые и подвергаются всасыванию (за 1 сут. – более 100 г). Из них в клетках тканей синтезируются разнообразные специфические для организма белки; время их жизни варьирует в широких пределах, но в среднем составляет около 80 дней. По истечении этого срока белки подвергаются разрушению, часть аминокислот вновь используется организмом, а часть окисляется до конечных продуктов – мочевины и мочевой кислоты, которые удаляются в составе мочи, пота и частично с выдыхаемым воздухом.

Оценка состояния белкового обмена в целом (на уровне организма) производится на основании определения азотистого баланса. Дело в том, что весь азот, поступивший с белковыми компонентами пищи, через некоторое время выделяется с мочой в виде мочевины и мочевой кислоты. В норме у взрослого человека эти потоки азота уравновешены. Из поступившего в организм азота около 0,03-0,05 г кг/сут. идет на компенсацию потерь белка в результате «износа» тканей. Положительный азотистый баланс (преобладание потребления над выделением) наблюдается при интенсивном росте организма или при беременности, отрицательный баланс (преобладание выделения над потреблением) – при голодании и некоторых болезнях (злокачественных опухолях).

В организме отсутствуют депо белков и аминокислот, все белки либо включены в состав структур, либо задействованы на выполнение определенных физиологических функций, поэтому при недостаточном поступлении белков в организм происходит частичное разрушение белковых компонентов клеточных и неклеточных структур до аминокислот, которые идут на синтез жизненно необходимых

14

белков. Всего в организм человека входят 20 аминокислот, причем 8 из них являются незаменимыми.

Незаменимые аминокислоты – необходимые аминокисло-

ты, которые не могут быть синтезированы в организме человека, поэтому их поступление в организм с пищей необходимо. Незаменимыми для взрослого здорового человека являются 8 аминокислот: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин́, триптофан и фенилалани́н, для детей незаменимыми также являются аргинин и гистидин. Физиологическая роль и список пищевых продуктов, в которых содержатся незаменимые аминокислоты, представлены в таблице 2.

Таблица 2

Физиологическая роль и пищевые продукты, содержащие незаменимые для человека аминокислоты [21]

15

16

Белки как пищевые субстраты подразделяют на полноценные (содержат полный набор незаменимых аминокислот; легко перевариваются) и неполноценные (отсутствует одна или несколько незаменимых аминокислот). Животные белки считаются более предпочтительными для питания по сравнению с растительными, так как легче

17

усваиваются и по своему аминокислотному составу они ближе к тканевым белкам человека. Энергетическая ценность белков составляет 17,6 кДж/г; суточная потребность в белке равна 80-120 г. При избыточном поступлении белков в организм они превращаются в жиры и гликоген.

1.5. Обмен углеводов

Углеводы – органические вещества, в состав которых входят углерод, кислород и водород. Общая формула Cn(H2O)n. Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание может достигать 90%. В клетках человека содержание углеводов варьирует от 1 до 5% от сухой массы клетки. Углеводы хорошо растворимы в воде, сладкие на вкус. Важнейшими представителями углеводов являются глюкоза (источник энергии для клеток, обязательно находится в крови, при ее снижении происходит нарушение жизнедеятельности), дезоксирибоза и рибоза (входят в состав нуклеиновых кислот), гликоген (полисахарид, накапливается в печени, являясь депо углеводов), у

растений – крахмал и целлюлоза.

Основные функции углеводов: энергетическая (при расщеп-

лении 1 молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ), структурная (входят в состав клеточной мембраны, соединительных тканей), резервная (гликоген запасается в печени), осморегулирующая (обеспечивает распределение воды между клетками и межклеточным пространством), защитная (в составе слоя слизи, покрывающего эпителии).

Этапы и закономерности обмена углеводов: в пищевых продуктах углеводы представлены в основном полисахаридами (целлюлоза, крахмал, но не гликоген, который разрушается при созревании мяса), дисахаридами (сахароза, фруктоза) и моносахаридами (глюкоза). Употребление в пищу очищенного белого сахара (рафинада) нежелательно, поскольку он, с одной стороны, лишен многих ценных биологически активных веществ, присутствующих в исходном сырье (сахарная свекла, сахарный тростник), с другой – быстро всасывается в кровь и, будучи чрезвычайным раздражителем для эндокринного аппарата поджелудочной железы, вызывает выработку избыточного количества инсулина. Гиперпродукция инсулина сопровождается аномальным снижением уровня глюкозы в крови, что клинически проявляется быстрой утомляемостью, бессонницей, головными болями, расстройством пищеварения, ухудшением зрения, депрессией, аг-

18

рессивным поведением. Постоянная нагрузка на инсулинпродуцирующие клетки (В-клетки) поджелудочной железы приводит к их истощению, недостаточной секреции инсулина и развитию сахарного диабета. Предпочтительнее использовать для питания желтый сахар (с примесью патоки, содержащей декстрозу, микроэлементы и другие ценные компоненты), а также мед, фрукты. Энергетическая ценность углеводов составляет 17,6 кДж/г. Суточная потребность в углеводах равна 400-500 г.

Расщепление углеводов происходит поэтапно под действием ферментов пищеварительного тракта (амилаз слюны, поджелудочной железы, кишечных амилаз) и протекает, соответственно, в ротовой полости и тонкой кишке. Образовавшиеся моносахариды (главным образом, глюкоза) всасываются с общим кровотоком и достигают всех органов и тканей. Содержание глюкозы в крови постоянно и не превышает 0,08-0,12%. Большая часть глюкозы, поступившей в клетки, идет на синтез гликогена (резервная форма углеводов в печени, причем содержание гликогена в печени может достигать 5-6%), другая – используется как энергетический субстрат и около 25% – превращается в жиры. Кроме печени гликоген синтезируется в мышцах, хотя его концентрация не превышает 2-3%. Конечными продуктами распада углеводов являются вода и диоксид углерода.

1.6. Обмен липидов

Липиды или жиры – органические вещества, нерастворимые в полярных растворителях (например, воде), но растворимы в неполярных (например, эфире, хлороформе, бензоле). Состоят из трехатомного спирта глицерина (C3H8O3) и остатков жирных кислот. Примерами липидов являются: фосфолипиды – в их состав дополнительно входит остаток фосфорной кислоты, они образуют мембраны клеток; холестерин – строительный материал клеточных мембран, из него синтезируются стероидные гормоны (гормоны надпочечников, половые гормоны), витамин D; воска – входят в секрет сальных желез, смазывая волос. Они содержатся в любых клетках, содержание их колеблется от 5 до 15% от сухой массы клетки.

Основные функции липидов: структурная (фосфолипиды),

энергетическая, регуляторная (стероидные гормоны – производные холестерина), являются источником эндогенной воды, участвуют в

19

теплообмене (формируют теплоизолирующие слои в подкожной жировой клетчатке).

Этапы и закономерности обмена липидов: метаболизм ли-

пидов в организме начинается с расщепления жиров пищи под действием ферментов поджелудочной железы, желчи и кишечного сока. Конечными продуктами расщепления липидов являются глицерин и жирные кислоты, из которых в эпителиальных клетках тонкого кишечника синтезируются жиры, свойственные организму человека.

В тканях липиды и составляющие их химические компоненты могут подвергаться окислению до конечных продуктов (диоксида углерода и воды), выделяя полезную энергию, при этом при расщеплении 1 г жира образуется 38,9 кДж энергии. Жиры могут участвовать в различных пластических процессах (например, образовывать мембраны новых клеток) или превращаться в углеводы (частности, гликоген). Часть жиров может откладываться в запас, например, в подкожной жировой клетчатке. Суточная норма человека в жирах составляет око-

ло 100 г.

Жиры животного и растительного происхождения существенно различаются, первые представлены в основном липидами, в состав которых входят насыщенные жирные кислоты (тугоплавкие: стеариновая, пальмитиновая и др.), в то время как липиды растений содержат ненасыщенные жирные кислоты (легкоплавкие: линолевая, линоленовая, олеиновая, арахидоновая и др.). Особую ценность представляют незаменимые линолевая и арахидоновая кислоты, так как их биосинтез в организме идет в ограниченном количестве.

Растительные липиды также выгодно отличаются от животных высоким содержанием фосфатидов – лецитина, сфингомиелина и др., играющих важную роль в деятельности нервной системы. В состав пищевого жира также входят жизненно необходимые стерины – витамин D и холестерин – исходный субстрат для биосинтеза желчных кислот и стероидных гормонов. Биологическая ценность липидов пищи определяется наличием ненасыщенных жирных кислот, скоростью переваривания и всасывания.

Лучше использовать в пищу нерафинированные масла (при очистке теряются некоторые ценные компоненты, в частности, фосфатиды). Кратковременное нагревание животных жиров при обжарке продуктов допустимо и желательно, так как повышает усвояемость тугоплавких липидов, в то время как растительных – нет, поскольку приводит к разрушению ненасыщенных жирных кислот.

20