Главная | Обратная связь

Лекция 24: Обмен веществ и энергии.

ВОПРОСЫ, ИЗУЧАЕМЫЕ НА ЛЕКЦИИ

1. Обмен белков, жиров, углеводов, воды и минералов, витамины.

2. Обмен энергии. Регуляция обмена веществ и энергии.

3. Процессы обмена и мышечная работа. Возрастные особенности.

 

1. Обмен веществ и энергии – физиологический процесс по усвоению из внешней среды питательных соединений для построения организма, обеспечения его энергией и выведения из него продуктов распада. В обмене веществ (метаболизме) выделяют два разнонаправленных процесса – анаболизм (ассимиляцию) и катаболизм (диссимиляцию). Анаболизм – совокупность процессов биосинтеза органических соединений, клеток, тканей, органов, накопления содержащих энергию соединений из поглощенных питательных веществ, а катаболизм – процессы расщепления сложных компонентов до простых соединений, обеспечивающих пластические и энергетические потребности организма. Оба процесса динамически уравновешены, отражая обновление организма.

Белки, высокомолекулярные азотсодержащие вещества, состоящие из аминокислот (заменимых и незаменимых), образующих полипептидные цепи, на концах имеющих (карбоксильную группу COOH-группа) и (аминогруппу NH2-группу). В природе обнаружено свыше 20 аминокислот. Заменимые аминокислоты могут синтезироваться в организме. Незаменимые аминокислоты поступают в организм с пищей. К ним относятся: валин, лейцин, изолейцин, триптофан, треонин, метионин, фенилаланин, лизин, аргинин, гистидин. Белки входят в состав всех органов и тканей организма, выполняя ряд функций: пластическую (для построения клеток, межуточного вещества), каталитическую (являются ферментами), гормональную (часть гормонов – белки), транспортную (участвуют в транспорте кровью О2, жиров, углеводов, витаминов, гормонов и других веществ). Белки – источник энергии. При окислении 1 г белка выделяется 4,1 ккал энергии. Основными конечными продуктами расщепления белков является мочевина, мочевая кислота, аммиак, креатин, креатинин, углекислота и вода, выводимые почками и потовыми железами. Белковый обмен характеризует азотистый баланс (равновесие), т.е. соотношению количества азота, поступившего в организм, и его количества, выведенного из организма. Азотистый баланс может быть положительным, при котором усвоение азота превышает его выведение (растущий организм, спортсмены в период тренировок, лица перенесшие заболевание), и отрицательным (при голодании, во время заболеваний), т.е. он определяет состояние жизнедеятельности. Строение полипептидной цепи определяет первичную, уникальную структуру белка, так как замена даже одного аминокислотного остатка в цепи приводит к изменению свойств белка и его функций. Белки по структуре разделяются на фибриллярные (нитевидные) и глобулярные (сферические), по растворимости в воде – на гидрофильные (растворимые) и гидрофобные (нерастворимые), по составу – на простые (протеины) и сложные (протеиды). В процессе пищеварения белки расщепляются до аминокислот, которые, всасываясь в кровь, транспортируются в печень, где дезаминируются и переаминируются, обеспечивая синтез тканеспецифических белков. Для взрослых людей норма потребления белка равна 1 - 1,5 г белка в день на 1 кг массы тела. Эксперты Всемирной Организации Здравоохранения рекомендует употреблять не менее 0,75 г белка на 1 кг массы тела в сутки.

Жиры – триглицериды (нейтральные жиры), сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и жирных кислот; фосфатиды, продукт взаимодействия нейтральных жиров, фосфорной кислоты и холина; стерины, эстеры холестерина и жирных кислот. Природные жиры подразделяются на животные и растительные. Суточная потребность в жирах составляет в среднем потреблять 1,5 г жира на 1 кг веса. В состав жиров входят насыщенные и ненасыщенные (незаменимые, эссенциальные) жирные кислоты, не синтезирующиеся в организме (линолевая, линоленовая, арахидоновая кислоты), имеющие 2-3 двойные связи. Они легко окисляются и участвуют в обмене холестерина, витаминов (А, Д, группы В), образовании гормоноподобных веществ (простагландинов), Их дефицит ведет к замедлению роста, снижению устойчивости организма.

Нейтральные жиры депонируются в подкожной клетчатке, сальнике, между внутренними органами, расходуются при выполнении длительной неинтенсивной работы (энергетическая функция), играют роль механической защиты и теплоизолятора. При расщеплении 1 г жиров освобождается 9,3 ккал. Фосфатиды входят в состав клеточных мембран, миелиновых оболочек нервных волокон, мышечной ткани, соединительной ткани; стерины, в частности, холестерин, является источником образования желчных кислот, гормонов коры надпочечников, половых желез (пластическая функция).

Углеводы- это соединения углерода, водорода и кислорода, причем водород и кислород входят в соотношении (2 : 1), как в воде, отсюда и название. Организм человека не синтезирует углеводы в отличие от растений, в которых они образуются в результате фотосинтеза. Углеводы служат энергетическим и пластическим материалом. При окислении 1 г углеводов освобождается 4,1 ккал энергии. Глюкоза – являясь составной единицей важнейших полисахаридов (гликоген, крахмал, целлюлоза или клетчатка, пищевые волокна), наиболее активно всасывается пищеварительным трактом для участия в обмене веществ. Глюкоза входит в состав дисахаридов: сахарозы, мальтозы (солодовый сахар), лактозы (сахара молока), является источником образования фруктозы, требующейся для образования нуклеотидов, нуклеиновых кислот, некоторых ферментов и аминокислот, мембран клеток. Глюкоза и другие сахара, гликоген, крахмал являются легко усвояемыми (перевариваемыми) углеводами, в отличие от почти нерасщепляемой клетчатки, но необходимой для нормального пищеварения. Клетчатка способствует продвижению пищи, связыванию витаминов, макро- и микроэлементов, формированию гелеобразных структур, удерживающих воду, поддержанию электролитного состава и массы фекалий и т.д. Взрослый человек потребляет в сутки около 300 - 500 г углеводов.

Водно–минеральный обмен.Вода в организме человека является строительным материалом, внутренней средой, катализатором всех обменных процессов и терморегулятором тела. Ее количество в организме зависит от возраста, пола и упитанности (у мужчин около 61 %, а у женщин – 51% веса тела).

Минеральные вещества не являются источниками энергии, но они создают необходимое для жизнедеятельности клеток осмотическое давление. Для взрослых суточное потребление Na⁺, K⁺ и Cl^— составляет соответственно 60–80 мг, 60 мг и 100–120 мг в сутки. Кальций влияет на возбудимость нервной системы, сократимость мышц, свертываемость крови, белковый и жировой обмен. Железо, медь, кобальт, молибден участвуют в кроветворении, йод в образовании гормонов щитовидной железы, фтор в формировании эмали зубов.

Витамины– это низкомолекулярные, незаменимые (эссенциальные) органические соединения с высокой биологической активностью, которые не синтезируются (или синтезируются в недостаточном количестве) в организме и поступают в него с пищей. Они необходимы для процессов роста организма, нормального функционального состояния нервной, эндокринной, иммунной, сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной и других систем организма, а также для нормального зрения, состояния кожи. Осуществляя химические реакции, витамины входят в состав ферментных систем организма в качестве низкомолекулярных небелковых веществ (коферментов), участвуют в построении мембран клеток и органелл.

Под витаминной недостаточностью понимают патологическое состояние, обусловленное сниженной обеспеченностью организма тем или иным витамином. Различают авитаминоз (отсутствие витамина), гиповитаминоз (резкое его снижение), субнормальную обеспеченность (наличие микросимптомов недостаточности).

По химической природе все витамины делятся на две большие группы - жирорастворимые и водорастворимые. Жирорастворимые витамины А, D, Е и К накапливаются в печени и жировой ткани и поэтому сохраняются в организме в течении более длительного времени.

Жирорастворимые витамины в больших количествах содержатся в рыбьем жире, в масле, сливках, в икре осетровых. Водорастворимые витамины – это витамин С и витамины группы В (B1, B2, B6, B12, PP, фолиевая кислота, пантотеновая кислота, биотин, липоевая кислота, холин, инозит, витамин Р), не накапливаются в организме и выводятся из него в течение нескольких дней. Источники витаминов - фрукты, ягоды, овощи и зелень, пивные дрожжи (группа витаминов В), проростки злаков.

По функциональной природе витамины делятся на 3 группы. Первая группа, витамины B1, B2, B6, B12, фолиевая кислота, пантотеновая кислота, РР, биотин в качестве коферментов участвуют в углеводном, энергетическом обмене. Вторую группу формируют витамины-биоантиоксиданты, которые нейтрализуют активные формы кислорода (витамин С, Е – токоферол, каротиноиды). Третья группа - это прогормоны, то есть витамины, из которых образуются некоторые гормоны (витамины D, А и другие).

2. Энергию для всех процессов жизнедеятельности организм получает в результате анаэробного и аэробного катаболизма поступающих в организм белков, жиров и углеводов. Запасы энергии в пищевых веществах выражаются ее калорийностью, т.е. способностью освобождать при окислении пищи энергию.

Количество энергии, высвобождаемое при окислении белков, жиров и углеводов 1 литром кислорода, называется калорическим эквивалентом (КЭ). При окислении углеводов КЭ равен 5,05 ккал, жиров – 4,7 ккал, белков – 4,85 ккал. При смешанной пище КЭ колеблется в пределах 4,7 – 5,05 ккал. О величине КЭ узнают по уровню дыхательного коэффициента (ДК) – относительного объема выдыхаемой углекислоты к объему поглощаемого кислорода (СО2/О2). Величина ДК при окислении углеводов составляет 1,0, при окислении жиров - 0,7 и белков 0,8.

В практических условиях определение энергообмена производится методами прямой и непрямой калориметрии. Прямая калориметрия основана на измерении тепла, выделяемого организмом в специальных камерах (калориметров), непрямая – с помощью газоанализаторов (непрямая респираторная калориметрия) по изучению газообмена, вдыхаемого О2 и выдыхаемого СО2. Наиболее простым способом оценки баланса энергообмена является учет калорийности поступающей в организм пищи и постоянство массы тела (алиментарная калориметрия).

Выделяют три уровня энергетического обмена: основной обмен, энерготраты в состоянии покоя и при различных видах труда.

Основной обмен – это минимальный уровень энергозатрат, необходимый для жизнедеятельности организма при полном физическом и эмоциональном покое, натощак, т.е. через 12–14 ч после приема пищи, в положении лежа, при максимальном расслаблении мышц, в состоянии бодрствования, в условиях температурного комфорта (22⁰С). Величина основного обмена зависит от возраста, пола и массы тела. Для взрослого человека среднее значение величины основного обмена равно 1 ккал/кг/ч. Отсюда для взрослого мужчины массой 70 кг величина энергозатрат в покое составляет 1700 ккал/сутки, для женщин –1500 ккал/сутки.

Энерготраты организма в состоянии относительного покоя превышают величину основного обмена, что обусловлено специфически динамическим действием пищи (затрата энергии на переваривание, всасывание, транспорт и ассимиля­цию нутриентов на уровне клетки).

Энерготраты при различных видах профессиональной деятельности связаны с интенсивностью умственного и физического труда.

Центральным звеном регуляции обмена веществ и энергии является гипоталамус, реализующий свой контроль через вегетативную нервную систему и железы внутренней секреции. Воздействуя на обменные и энергетические процессы, нервная и эндокринная системы регулируют скорость биохимических реакций, протекающих в клетках. Влияние гипоталамуса на обмен веществ и энергии опосредовано симпатическим и парасимпатическим отделами вегетативной нервной системы, а также гипофизом, контролирующим через тропные и эффекторные гормоны функциональную активность надпочечников, щитовидной, половых желез и других органов-мишеней.

Таким образом, все виды обмена веществ и энергии контролируются гормонами, значение которых для поддержания гомеостаза было рассмотрено ранее. Следует отметить, что по отношению к белковому обмену все гормоны могут быть разделены на стимулирующие (инсулин, СТГ, андрогены, эстрогены, тироидные гормоны) и снижающие (глюкокортикоиды, глюкагон) синтез белка. По отношению к обмену жиров на увеличивающие (инсулин, ТТГ, тироидные гормоны) и уменьшающие (катехоламины, глюкагон, СТГ) их образование. Основное место гормональной регуляции углеводного обмена отводится инсулину, снижающему уровень глюкозы крови и увеличивающему синтез гликогена и гормонам его антагонистам (катехоламины, глюкагон, СТГ, глюкокортикоиды, тироидные гормоны). В гипоталамусе расположены нервные центры, регулирующие водно-солевой обмен. В частности, в регуляции водно-солевого обмена принимают участие антидиуретический гормон гипофиза, стимулирующий обратное всасывание воды в почках; гормоны коры надпочечников (минералокортикоиды), повышающие обратное всасывание в кровь натрия и выведение калия. Регулирующее воздействие на обмен воды и солей оказывают гормоны щитовидной железы и паращитовидной желез (кальцитонин, паратгормон), контролирующие уровень в организме солей кальция и фосфора.

Касаясь энергетического обмена, необходимо отметить, что основной направленностью реакций организма при повышении тонуса симпатического отдела вегетативной нервной системы является мобилизация энергоресурсов организма (адаптирующих систем), особенно в условиях стресса, в то время как парасимпатический отдел регулирует восстановительные процессы, способствует восстановлению энергетических ресурсов. Следует отметить, что существенное влияние на состояние энергообмена оказывают гормоны щитовидной железы, условно-рефлекторные раздражители.

3. Затраты энергии при мышечной работе зависят от интенсивности труда. Физиологические нормы питания являются средними ориен­тировочными величинами, отражающими оптимальные потреб­ности отдельных групп населения в основных пищевых вещест­вах и энергии, зависящие от пола, возраста, про­фессии, условий быта (включая занятия физкультурой и спортом). Предусматривается деление населения на 4 группы по общим суточным энерготратам и интенсивности профессионального труда. Группа I – люди умственного труда, их суточный расход энергии составляет 2200–3300 ккал; группа II – работники механизированного труда и сферы обслу­живания, расходующие за сутки 2300–3200 ккал; группа III – работники частично механизированного труда с суточным расходом энергии 2500 – 3400 ккал; группа IV – работники немеханизированного тяжелого физического труда, энерготраты которых достигают 2900-4200 ккал. Расход энергии при спортивной деятельности может достигать 4500-5000 ккал.

Выполнение мышечной работы сопровождается освобождением тепловой и механической энергии. Отношение механической энергии ко всей энергии, затраченной на работу, выраженное в %, называется коэффициентом полезного действия (КПД). При мышечной работе КПД человека не превышает 20-25 % и находится в зависимости от интенсивности выполняемой работы, структуры и темпа движений, количества вовлеченных в работу мышц, степени тренированности человека.

У детей в связи с ростом и развитием организма преобладают процессы анаболизма; азотистый баланс положительный. Чем меньше возраст ребенка, тем большее количество белка требуется для нормального роста (от 4 до 7 лет – 3,5–4 г, старше 12 лет – 2–2,5 г на кг массы). Потребность в белках у мальчиков большая, чем у девочек.

Потребность организма детей в жирах также выше, чем у взрослых. В возрасте до 4 лет требуется 3,5–4 г, в дошкольном и школьном возрасте – 2,0–2,5 г на кг массы. Обмен жиров у детей неустойчив, при усиленном расходе жировое депо быстро истощается.

У детей наблюдается гипогликемия, обусловленная эффективностью анаэробного пути окисления и повышенной утилизацией глюкозы тканями. Мобилизация углеводных ресурсов у детей происходит хуже в связи с недоразвитием мозгового слоя надпочечников и сниженным уровнем адреналина. Суточная потребность в углеводах составляет в возрасте от 4 до 7 лет – 290 г, свыше 12 лет – 370 г.

Для роста и развития ребенка необходимо достаточное количество воды, обеспечивающей интенсивный обмен веществ. У мальчиков потребность в воде больше, чем у девочек. Потребность в минеральных веществах (Na⁺, K⁺ и Cl^—) у детей меньшая, чем у взрослых. Рост, формирование костей и мышц, нервной системы, работа внутренних органов у детей определяет повышенную потребность в Са и Р, особенно на первом году жизни и в период полового созревания (суточная потребность в Са составляет 0,68 – 3,36 г). Железа ребенок должен получать с пищей больше, чем взрослый (суточная потребность – 1–1,2 мг на 1 кг массы тела). Растущий организм нуждается также и в микроэлементах, которые в составе ферментов, гормонов, витаминов, тонко регулируют обменные процессы.

Основной обмен относительно массы и роста у детей более интенсивен, чем у взрослых. В дошкольном и младшем школьном возрастах отмечается четкая закономерность, заключающаяся в соответствии интенсивности основного обмена и динамики ростовых процессов.

Относительные годовые приросты массы тела вычислены по формуле И.И. Шмальгаузена: Y= P1–Pn–1/Рn–1, где Р – масса тела при данном измерении, P_n—1 – масса тела при предыдущем измерении, Y — величина относительной скорости роста, показывающая приросты на единицу массы тела. Характерно, что чем больше скорость относительного роста, тем значительнее изменения обмена покоя. Величина основного обмена у девочек несколько ниже, чем у мальчиков, но по изменению темпов роста они опережают последних. Это различие начинает проявляться уже во второй половине первого года жизни.

У взрослого нет расхода энергии на рост и отложение веществ, на специфически–динамическое действие пищи приходится 10%, на работу мышц –25%, на удаление экскрементов –5%.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов.

1.Дайте определение обмену веществ и энергии.

2.Обмен белков, их пластическая функция.

3.Обмен жиров и углеводов, их роль в обмене веществ и энергии.

4.Водно–минеральный обмен.

5.Роль витаминов в обмене веществ.

6.Энергия процессов жизнедеятельности, основной обмен организма, методы его определения.

7.Основной обмен детей и подростков.

8.Энерготраты организма.

9.Деление населения на группы по энерготратам с учетом интенсивности профессионального труда.

10.Особенности энергообмена при мышечной работе различной мощности. Калорийность пищевого рациона.

Ссылки на литературные источники, приведенные в рабочей программе дисциплины.

Основная литература.

1.Лекционный материал кафедры медико-биологических основ физического воспитания и смежных дисциплин.

2.Солодков, А.С. Физиология человека. Общая. Спортивная. Возрастная : Учебник./ А.С.Солодков, Е..Б.Сологуб . М.: Олимпия Пресс, 2005.- 527 с., С. 140–148, 386, 422.

Дополнительная литература.

1.Физиология человека / под ред. Г.И.Косицкого. М., 1985. 559 c., С. 374–395.

2. Возрастная физиология: Учеб.-метод. пособие / Под редакцией д.м.н. Ю. М. Досина.- Мн.: БГПУ, 2006. – c. 266, С. 139–183.