Глава 13

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ. ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ

13.1. Общая характеристика обмена веществ и энергии

Живые организмы могут существовать только при условии постоянного обновления их структур. Для их синтеза нужны определенные вещества и энергия (которая также необходима для обеспечения всех физиологических функций). Вещества и энергию организм получает из окружающей среды. Клетки, ткани, органы находятся в постоянном химическом взаимодействии друг с другом и окружающей внешней средой. Обмен веществ (метаболизм) — совокупность биохимических процессов, постоянно протекающих в организме и обеспечивающих его рост, развитие и восстановление. Выделяют две стороны метаболизма — пластический и энергетический обмены. Пластический обмен включает процессы, направленные на рост и обновление структур организма, энергетический — процессы, направленные на энергообеспечение функций организма. Пластический и энергетический обмены основаны на параллельном осуществлении анаболических и катаболических реакций. Анаболические реакции (анаболизм, ассимиляция) — это реакции синтеза из простых молекул более сложных с накоплением энергии, построением новых клеточных структур и их развитием. Катаболические реакции (катаболизм, диссимиляция) сопровождаются расщеплением сложных молекул на простые с высвобождением энергии, которая используется на поддержание жизненных процессов.

Выделяют следующие этапы обмена веществ:

•переработка питательных веществ в желудочно-кишечном тракте и всасывание продуктов их расщепления в кровь;

•транспорт питательных веществ кровью и лимфой в клетки организма;

•выделение конечных продуктов обмена веществ органами выделения. Главную роль в энергетических механизмах обмена веществ играют производ-

ные фосфорной кислоты — аденозинфосфорные кислоты. Они являются носителями энергии (макроэргическими соединениями), передающими заключенную в их химических связях энергию для использования в различных физиологических процессах. Непосредственным источником энергии для большинства энергозависимых процессов в организме является АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Остальные вещества могут служить источниками энергии только в том случае, если при их распаде образуется АТФ. Все основные органические вещества, поступающие с пищей в организм, окисляются с образованием АТФ и потому могут служить источниками энергии. Однако основными энергетическими субстратами в человеческом организме являются углеводы и жиры.

Обмен веществ в организме регулируется нервным и гуморальным путями. В области гипоталамуса располагаются нервные структуры, которые участвуют в регуляции различных видов обмена веществ. Гуморальный путь регуляции обмена веществ связан с воздействием гормонов на процессы превращения веществ, усиливая или ослабляя их. Однако ни один из этих путей не может действовать самостоятельно, контроль за регуляцией обмена веществ осуществляется центральной нервной системой.

170

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по анатомии человека сайта https://meduniver.com/

13.2. Обмен белков (белковый обмен)

На клеточном уровне обмен веществ осуществляется посредством ферментов, активность которых координируется соответствующим геном. Каждый фермент избирательно катализирует какую-либо реакцию обмена веществ. Ферменты необходимы для переваривания и всасывания питательных веществ, синтеза белков, реакций энергетического обмена, нервно-психической деятельности, размножения, процессов выведения веществ из организма и др. Сами ферменты в реакциях не участвуют, однако способны запускать химические процессы с большой скоростью и малыми затратами энергии. Ферментативную активность обычно определяет небольшая часть белковой молекулы фермента, называемая активным центром (коферментом). Коферментами, в частности, являются некоторые витамины, ионы металлов.

Интенсивность обмена веществ и энергии зависит от возраста (у детей она более высокая, чем у взрослых). Его уровень неодинаков также в пределах одной возрастной группы, так как взаимосвязан с процессами роста и индивидуального развития организма. Наиболее интенсивный обмен наблюдается у детей раннего возраста и в период полового созревания. У детей преобладают процессы ассимиляции. В организме взрослого человека процессы ассимиляции и диссимиляции находятся в равновесии. В пожилом возрасте преобладают процессы диссимиляции.

13.2. Обмен белков (белковый обмен)

Белки являются в организме основным пластическим материалом клетки, который не может образовываться из других веществ. Обмен белков начинается с их расщепления протеолитическими ферментами, в результате чего образуются низкомолекулярные пептиды и аминокислоты. В дальнейшем они превращаются в специфические белки (альбумины, глобулины, фибриноген и др.). Наиболее интенсивный распад аминокислот происходит в печени. В процессе ассимиляции простые белки и пептиды образуют сложные белки — протеины. Соединяясь с углеводами, они образуют гликопротеины, с липидами — липопротеины, с нуклеиновыми кислотами — нуклеопротеины. Эти соединения идут на построение клеточных структур (мембран, рибосом, хроматина клеточных ядер и др.), входят в состав ферментов, гормонов, регулируют различные процессы в организме, осуществляют защитные функции, определяют видовую и индивидуальную принадлежность организма. Конечными продуктами диссимиляции белков являются вода, углекислый газ, мочевина, мочевая кислота.

В норме белки не используются как источники энергии. Они могут быть использованы в этом качестве при недостатке других субстратов (1 г белка дает 4,1 ккал, или 17,2 кДж). При избыточном потреблении белков они частично превращаются в липиды для запасания энергии. Недостаточное поступление белков может приводить к потере внутренних белков. Вследствие этого организм, особенно развивающийся, нуждается в постоянном введении полноценных белковых веществ. Так, недостаточное снабжение организма детей белками приводит к отставанию их в физическом и умственном развитии, тяжелым расстройствам здоровья.

Суточная потребность в белках зависит от возраста, пола, профессии, веса человека, функционального состояния организма. На 1 кг массы тела детей в возрасте от 4 до 7 лет требуется в среднем 3,5 г белка, от 8 до 12 лет — 3 г и старше 12 — 2–2,5 г. Взрослым необходимо в сутки около 70–90 г белка (0,5–1 г на 1 кг массы тела), при

171

Глава 13. Обмен веществ и превращение энергии. Терморегуляция

увеличении физической нагрузки его количество должно возрастать. Значительно возрастает потребность организма в белках после заболеваний, сопровождающихся высокой температурой.

Ряд аминокислот, входящих в состав белков, может синтезироваться в организме (аланин, глицин, цистеин и др.) — эти аминокислоты называются заменимыми; другие не синтезируются в организме и обязательно должны поступать с пищей (аргинин, лейцин, лизин и др.) — незаменимые аминокислоты. Отсутствие даже одной из них вызывает тяжелые нарушения и расстройства организма. Биологически полноценными считаются те белки, которые содержат все незаменимые аминокислоты. Это, прежде всего, животные белки. Неполноценные белки (в основном растительные) не содержат тех или иных аминокислот. В случае вегетарианской диеты следует обязательно употреблять в пищу различные растительные продукты, так как в одних продуктах могут содержаться одни незаменимые аминокислоты, в других — другие.

Для характеристики белкового обмена используется азотистый баланс, т.е. соотношение поступившего за сутки в организм и выведенного из него за сутки азота. Это связано с тем, что только белки содержат азот, его содержание в белках постоянно и составляет около 16 %; 1 г азота соответствует 6,25 г белка. Для того чтобы по поступлению (или расходу) азота судить о поступлении (расходу) белка в организме, количество азота умножают на 6,25. Например, если суточное выведение с мочой азота составляет 12 г, то суточный расход белка равен 12 г × 6,25 = 75 г. Состояние, при котором количество поступившего азота равно количеству выведенного из организма, называется азотистым равновесием. Это состояние является нормой для взрослого организма. При большем поступлении белка в организм и меньшем выведении азота образуется положительный азотистый баланс (наблюдается его накопление в организме). Такое состояние отмечается при беременности, у детей (в связи с интенсивным ростом, образованием новых структур), при выздоровлении после тяжелых заболеваний, после голодания, при наращивании мышечной массы. В обычном состоянии у взрослого человека, при избыточном потреблении белка в

172

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по анатомии человека сайта https://meduniver.com/

13.3. Обмен углеводов (углеводный обмен)

пищу, положительный азотистый баланс не наблюдается, так как белок в организме не депонируется. В этих условиях повышение поступления азота автоматически приводит к повышению его расхода. Состояние, при котором поступление азота с пищей меньше его выведения, называется отрицательным азотистым балансом. Такой баланс отмечается при голодании, употреблении неполноценных белков, тяжелых истощающих заболеваниях (например, росте опухолей). Это связано с тем, что белки в организме обязательно расходуются (даже если они не поступают с пищей) и резервов белков в организме практически нет. Также отрицательный азотистый баланс может отмечаться при лихорадочных состояниях и при нарушениях нейроэндокринной регуляции белкового обмена.

На белковый обмен (рис. 13.1) оказывает влияние ряд гормонов. Так, инсулин, соматотропный гормон (СТГ), тестостерон повышают синтез белков; глюкокортикоиды усиливают распад белков. Тиреоидные гормоны повышают обмен белков, однако в условиях недостаточного поступления липидов и углеводов они могут вызывать их распад.

13.3. Обмен углеводов (углеводный обмен)

Углеводы (сахарá) служат основным источником энергии (1 г углеводов выделяет 4,1 ккал, или 17,2 кДж) в организме. В организм углеводы поступают в основном с растительной пищей (хлеб, овощи и фрукты, крупы). Суточная потребность взрослого человека в углеводах составляет около 500 г. Однако эта величина зависит от энергетических потребностей организма и может существенно меняться. Сложные углеводы пищи (крахмал, сахароза) под действием ферментов слюнных желез и поджелудочной железы превращаются в моносахариды (глюкозу, фруктозу, галактозу, маннозу) и всасываются в тонком кишечнике в кровь. Большую часть из них составляет глюкоза. Остальные моносахариды в печени также превращаются в глюкозу, которая таким образом является основным углеводом крови (концентрации

вкрови остальных моносахаридов незначительны). Кроме энергетической функции углеводы также выполняют пластическую функцию — входят в состав клеточных структур. Конечные продукты распада углеводов — углекислый газ и вода.

Глюкоза — основной источник энергии для всех клеток организма. Снижение глюкозы ниже критического уровня вызывает нарушение функции головного мозга, так как его клетки используют в качестве источника энергии почти исключительно углеводы. В связи с этим уровень глюкозы в крови является одной из констант внутренней среды организма. Углеводы запасаются в организме в виде гликогена (в печени и скелетных мышцах). Общее количество гликогена в организме взрослого человека составляет 300–400 г, но только 1/5 от этого количества приходится на долю гликогена печени (из него глюкоза может высвобождаться в кровь). Гликоген мышц используется только самими мышцами. Показано, что гликогена печени может хватить на поддержание уровня глюкозы в крови на 12–16 ч. Запасы углеводов

ворганизме, таким образом, невелики и используются главным образом для неотложных потребностей энергообеспечения. Кроме поступления в организм человека с пищей и в результате распада гликогена печени глюкоза может образовываться из белков и липидов. Последний путь является более медленным, но благодаря ему

173