Обмен веществ и энергии

Обмен веществ и энергии (метаболизм) — превращения веществ и энергии, лежащие в основе жизнедеятельности организмов. Получая из окружающей среды различные органические и неорганические вещества (преимущественно пищевые), организм усваивает их, т. е. перерабатывает в специфические для себя вещества. Эта сторона обмена веществ и энергии обозначается как ассимиляция.
Процесс разрушения органических веществ — диссимиляция — является противоположной ассимиляции стороной обмена веществ и энергии. Ассимиляция и диссимиляция неразрывно связаны друг с другом. Рост, развитие, размножениевсегда характеризуются преобладанием ассимиляции, что проявляется в увеличении общей массы организма, в образовании новых тканей и органов, в их росте и степени дифференциации. При некоторых патологических состояниях, а также при голодании преобладает диссимиляция, что выражается обычно в уменьшении массы живого тела.
Интенсивность обмена веществ и энергии в целом зависит от взаимоотношений организма с окружающей средой. У высших животных и человека процессы обмена веществ и энергии, в том числе соотношение ассимиляции и диссимиляции, регулируются центральной нервной системой.
Понятие обмена веществ и энергии включает как переработку организмом пищевых веществ, так и превращения тех веществ, которые входят в состав организма.
Процессы превращения веществ в тканях и органах, включая образование и расщепление промежуточных продуктов, называют межуточным обменом. Изучение межуточного обмена дает представление о последовательности биохимических превращений внутри организма, об их локализации в определенных органах и тканях, о взаимосвязи различных химических реакций в едином процессе обмена веществ и энергии целостного организма.
Процессы обмена веществ и энергии делятся на анаболические и катаболические. Термином «анаболизм» обозначают те химические реакции, при которых более простые вещества, взаимодействуя между собой, образуют более сложные, что приводит к построению новой протоплазмы клеток, к общему росту живого организма. Анаболические процессы лежат в основе ассимиляции, катаболические — в основе диссимиляции. Катаболизм представляет собой расщепление органических веществ не только пищевых, но и тканевых, что приводит к расходованию протоплазмы клеток. Анаболические и катаболические процессы протекают непрерывно, находясь в сложной динамической взаимосвязи; их невозможно отделить друг от друга. Вещества, получающиеся в результате катаболических процессов, не только выводятся из организма в виде конечных продуктов обмена, но могут и вовлекаться в анаболические процессы: сложные соединения при этом расщепляются, а их составные части, соединяясь в различных комбинациях, образуют новые вещества. Так, синтезу тканевых белков, жиров и углеводов предшествует распад пищевых белков, жиров и углеводов (см. Азотистый обмен, Жировой обмен, Углеводный обмен).
Важнейшей функцией катаболизма является высвобождение энергии, заключенной в органических соединениях, поступающих в организм или откладываемых в нем в качестве запасных веществ. Энергия используется для обновления и перестройки тканей; расходуется при функционировании органов (например, мышечная работа, передача нервных импульсов и др.); затрачивается в процессах синтеза органических соединений, в том числе ферментов; часть ее освобождается в виде тепла.
Катаболическими процессами, дающими энергию, являются брожение у растений и микроорганизмов, гликолиз у животных или окисление органических веществ до CO₂и H₂О, что распространено как в животных, так и растительных тканях. Если окислению подвергаются углеводы, то при поглощении 1 л кислорода высвобождается 5, 05 ккал энергии, если жиры и белки, — соответственно 4, 7 и 4, 8 ккал. Каждому из этих веществ соответствует определенная величина дыхательного коэффициента (Rq), т. е. величина отношения объема CO₂, выделенного за данный промежуток времени, к объему кислорода, поглощенного организмом за этот интервал времени. При окислении углеводов Rq равен 1, жиров — 0, 7, белков — 0, 8. Поскольку расщепление различных пищевых веществ в организме происходит одновременно, величина Rq может варьировать. Среднее значение Rq для человека в норме находится в пределах 0, 83— 0, 87. Определив Rq опытным путем, с помощью специальных таблиц устанавливают количество освобождающейся энергии в калориях. Энергетика обмена, таким образом, может служить показателем интенсивности обменных процессов в организме и характеризуется величиной балансового (суммарного) обмена.
В клинической практике для сравнения интенсивности обмена веществ и энергии у разных людей и выявления его отклонений от нормы первоначально определяют уровень основного обмена, т. е. количество энергии, расходуемой только на поддержание жизни в состоянии покоя, натощак, которое характеризуется у одного и того же организма значительным постоянством.
На основании многочисленных определений основного обмена у людей составлены таблицы нормальных величин этого показателя в зависимости от возраста, пола и общей поверхности тела. В этих таблицах величины основного обмена приводятся в больших калориях (ккал) на 1 м² поверхности тела за 1 час. У лиц одного пола, роста, веса и возраста основной обмен приблизительно одинаков и колеблется в пределах ±10—15%. Факторы внешней среды (климат, температура, барометрическое давление), различные формы трудовой деятельности, занятияспортом, режим и тип питания, функциональное состояние организма вызывают в нем довольно значительные отклонения от нормы. Большое влияние на основной обмен оказывают изменения в гормональной функции организма. Особенно выражено действие щитовидной железы: при ее гиперфункции основной обмен может превышать нормальный уровень на 80%, при гипофункции основной обмен может быть ниже нормы на 40%. Выпадение функции передней доли гипофиза или коры надпочечников влечет за собой снижение основного обмена. Возбуждение симпатической нервной системы, усиленное образование или введение адреналина извне усиливают основной обмен. В клинике исследование основного обмена проводят натощак, т. е. через 12—16 час. после приема пищи, определяя газообменв течение 10—15 мин. Температура помещения — от 20 до 22°. Величины основного обмена принято давать в процентах отклонений от нормы.
См. также Окисление биологическое.

51. Классифицировать витамины и указать на их роль в обмене веществ.

Витамины (от лат. вита – жизнь) – историческое название большой группы биологически активных веществ различной химической природы, которые обычно поступают в организм с пищей и часто входят в состав ферментов, становясь их коферментами. В отличие от других пищевых веществ, витамины не являются материалом для биосинтеза или получения энергии, однако участвуют практически во всех процессах обмена веществ.

Витамины необходимы организму в очень малых количествах, однако при их недостатке быстро развиваются гиповитаминозы, а при нехватке - авитаминозы, которые могут иметь даже смертельный исход. Избыток витаминов (гипервитаминоз) в организме менее опасен, но в ряде случаев может привести к тяжёлым отравлениям и нарушить обмен веществ.

Недостаток витаминов в организме может быть восполнен применением содержащих их препаратов, получаемых химическим путём, микробиологическим синтезом или из природных источников.

Классификация витаминов. В настоящее время известно свыше 20 витаминов. Их классифицируют на водорастворимые и жирорастворимые. Водорастворимые витамины (С, витамины группы В, РР и др.) поступают в организм человека в виде водных растворов. Жирорастворимые витамины (А, D, Е, К) растворяются в жирах пищи и всасываются вместе с ними. У очень пожилых людей или людей с заболеваниями печени нарушено выделение желчи и жиры усваиваются плохо. Поэтому у них наблюдается недостаток в организме жирорастворимых витаминов — гиповитаминоз или даже авитаминоз.

Водорастворимые витамины. Витамин C (аскорби повая кислота) необходим для нормального роста организма. Он регулирует обмен углеводов и белков, участвует в образовании одного из главных белков соединительной ткани - коллагена и стимулирует заживление ран. Кроме того, витамин С способствует усвоению железа в кишечнике, усиливает иммунитет, обезвреживает некоторые ядовитые вещества и токсичные продукты, образующиеся в самом организме. В сутки человеку нужно получать около 50 мг этого вещества. При увеличении нагрузки (физической или умственной) доза витамина должна быть увеличена до 100 или 200 мг в сутки (рис. 55). Витамин C содержится в овощах и фруктах, но больше всего его в плодах шиповника, чёрной смородине, облепихе и сладком перце. Длительная нехватка (3-4 месяца) этого витамина в пище приводит к заболеванию цингой. На фоне снижения умственной и физической работоспособности, вялости, поражения кожи возникает повышенная кровоточивость. Она вызвана увеличением проницаемости стенок сосудов. Начинаются боли в суставах и мышцах. Дёсны кровоточат, зубы расшатываются и выпадают. Если не возместить недостаток этого витамина, то человек может погибнуть.

Рис. 55. Суточная потребность в витаминах
Витамин B1 (тиамин) играет важную роль как составная часть ферментов углеводного обмена и обмена аминокислот. Тиамин необходим для нормальной работы нервной, эндокринной и иммунной систем. Суточная потребность в нём составляет всего 2 мг. Если человеку приходится жить и работать в холодном климате, то количество тиамина в пище должно быть увеличено в 1, 5 -2 раза. Наиболее богаты тиамином изделия из муки грубого помола, содержащие отруби, а также бобовые растения: горох, фасоль, соя. При недостатке витамина B1 сначала возникает бессонница, повышенная раздражительность, беспокойство, головные боли. Появляются слабость и боли в ногах. Эта болезнь имеет историческое название бери-бери, а современное название полиневрит.

Витамин B2 (рибофлавин) необходим для обеспечения нормального зрения, роста и развития детей, а также для синтеза главного источника энергии в организме - АТФ. Его суточная потребность составляет 1 - 2 мг в сутки. Главными источниками витамина В2 являются молоко и молочные продукты, яйца, печень, мясо, рыба, хлеб, гречневая крупа. Однако при термической обработке пищевых продуктов содержание рибофлавина в них снижается почти на 50%. Нехватка витамина B2 в организме может возникать при беременности или тяжёлых физических нагрузках. При значительной нехватке этого витамина возникает воспаление слизистой оболочки языка, уголков рта, губ. Плохо заживают повреждения кожи, слезятся глаза, развивается светобоязнь.

Витамин PP (никотиповая кислота) обеспечивает в организме нормальную интенсивность энергетического обмена. При недостатке никотиновой кислоты развивается пеллагра - тяжёлое заболевание, связанное с поражением центральной нервной системы, желудочно-кишечного тракта и кожи. При этом заболевании отмечаются раздражительность, нарушение чувствительности кожных покровов, снижение двигательной активности, потеря устойчивости при ходьбе, психозы и психическая депрессия. Возникает воспаление языка, нарушается секреция желудочного сока, развиваются упорные поносы. Поражение кожи характеризуется симметричным воспалением лица и открытых частей тела. Развитие пеллагры может быть связано с однообразным питанием и использованием в качестве основного продукта зерновых культур, особенно кукурузы. Важнейшими пищевыми источниками витамина РР служат крупы, хлеб грубого помола, бобовые, внутренние органы животных (печень, почки, сердце), мясо, рыба, а также некоторые овощи. Очень высоко содержание никотиновой кислоты в дрожжах, сушёных грибах.

Жирорастворимые витамины. Витамин А (ретинол) обеспечивает нормальный рост организма, формирование скелета, размножение клеток кожных покровов, необходим для нормального зрения. Потребность организма в этом витамине составляет приблизительно 1 мг в сутки. Этот витамин содержится только в продуктах животного происхождения: в печени рыб и других животных, яйцах, масле, сметане. В растениях присутствует растительный пигмент бета-каротин, из которого в организме человека медленно образуется витамин А. При нормальном питании в печении человека образуется депо этого витамина. Первым симптомом нехватки витамина А является куриная слепота, то есть снижение способности различать цвета в полумраке. Затем на склере глаза появляется то, что в народе называется бельмом. Отсутствие лечения быстро приводит к слепоте. Недостаток витамина способствует развитию различных поражений кожи - дерматитов.

Витамин D (кальциферол) регулирует обмен кальция и фосфора и необходим для нормального образования костной ткани. Он повышает всасывание этих минеральных веществ в тонком кишечнике и способствует их отложению в костях. Дети испытывают особую потребность в этом витамине, поэтому суточная доза для них несколько больше, чем для взрослых, и составляет 10-25 мг. Витамином D богаты в основном продукты животного происхождения: печень рыб, молочные продукты, яйца. Кроме того, витамин D вырабатывается в коже под действием ультрафиолетового излучения, то есть при загаре. У детей D-авитаминоз проявляется в виде болезни, называемой рахитом. При этом у них наблюдаются судороги, они отстают в развитии, кости голеней искривляются, окостенение родничков черепа задерживается. Рахит чаще всего наблюдается у городских детей, которые бывают на солнце намного меньше, чем их деревенские сверстники.

Витамин Е (токоферол) является универсальным защитником клеток организма от повреждения чрезвычайно активными химическими соединениями, которые называют свободными радикалами. Витамин Е не даёт свободным радикалам кислорода разрушать клеточные мембраны. Источником этого витамина являются растительные масла, особенно нерафинированные. Витамин Е содержится также в печени, яйцах, хлебобулочных изделиях, гречке, бобовых. Суточная потребность в этом витамине составляет 10 мг.

Витамин К (филлохинон) участвует в образовании протромбина, без которого невозможно свёртывание крови. Суточная потребность в этом витамине не очень велика - доли миллиграмма. Витамином К богаты многие продукты: цветная капуста, салат, кабачки, говяжья печень. Кроме того, этот витамин вырабатывается бактериями, живущими в толстом кишечнике.

Роль витаминов в организме человека. Входя в состав ферментов, витамины усиливают действие других биологически активных веществ, повышают иммунитет и сопротивляемость организма к болезням, стимулируют рост и регенерацию тканей. Например, витамин А участвует в процессах восприятия света, витамин D – усвоения кальция, витамин К – свёртывания крови, витамины C и PP практически во всех процессах обмена веществ и т. д.

Большинство витаминов не синтезируется в организме и должно регулярно поступать с питанием. Витамины B1, B2, PP и K продуцируются бактериями, живущими в тонком кишечнике. Витамин D может образовываться в коже под действием солнечного света.