Какие процессы в организме обеспечивают его энергией


Лекция № 2

ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. РАЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ.

План лекции.

  1. Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Источники энергии в организме.

  2. Основные понятия и определения физиологии обмена веществ и энергии.

  3. Методы изучения энергетического обмена у человека.

  4. Понятие о рациональном питании. Правила составления пищевых рационов.

  1. Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Источники энергии в организме.

Организм человека представляет собой открытую термодина-мическую систему, которая характеризуется наличием обмена веществ и энергии.

Обмен веществ и энергии – это совокупность физических, биохимических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в организме человека и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Указанные процессы, протекающие в организме человека изучают многие науки: биофизика, биохимия, молекулярная биология, эндокринология и , конечно же, физиология.

Обмен веществ и обмен энергии тесно взаимосвязаны между собой, однако, с целью упрощения понятий, их рассматривают раздельно.

Обмен веществ (метаболизм) – совокупность химических и физических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.

В обмене веществ различают две направленности процессов по отношению к структурам организма: ассимиляцию или анаболизм и диссимиляцию или катаболизм.

Ассимиляция(анаболизм) – совокупность процессов создания жи-вой материи. Указанные процессы потребляют энергию.

Диссимиляция(катаболизм) – совокупность процессов распада жи-вой материи. В результате диссимиляции энергия воспроизводится.

Жизнь животных и человека представляет из себя единство процес-сов ассимиляции и диссимиляции. Факторами, сопрягающими данные процессы, являются две системы:

  • АТФ – АДФ (АТФ - аденозин три фосфат, АДФ – аденозин ди фосфат;

  • НАДФ (окисленный) – НАДФ (восстановленный), где НАДФ – никотин амид ди фосфат.

Посредничество указанных соединений между процессами ассимиляции и диссимиляции обеспечивается тем, что молекулы АТФ и НАДФ выступают в роли универсальных биологических аккумуляторов энергии, ее переносчика, своеобразной «энергетической валютой» организма. Вместе с тем, прежде чем энергия аккумулируется в молекулах АТФ и НАДФ, ее необходимо извлечь из питательных веществ, которые поступают с пищей в организм. Такими пищевыми веществами являются известные вам белки, жиры и углеводы. К этому же следует добавить, что питательные вещества выполняют не только функцию поставщиков энергии, но и функцию поставщиков строительного материала (пластическая функция) для клеток, тканей и органов. Роль различных питательных веществ в реализации пластических и энергетических потребностей организма неодинакова. Углеводы в первую очередь выполняют энергетическую функцию, пластическая функция углеводов незначительна. Жиры в равной степени выполняют и энергетические и пластические функции. Белки являются основным строительным материалом для организма, но при определенных условиях могут являться и источниками энергии.

Источники энергии в организме.

Как уже отмечалось выше, основными источниками энергии в организме являются пищевые вещества: углеводы, жиры и белки. Освобождение энергии, содержащейся в пищевых веществах, в организме человека протекает в три этапа:

1 этап. Белки расщепляются до аминокислот, углеводы - до гексоз, например, до глюкозы или фруктозы, жиры – до глицерина и жирных кислот. На данном этапе организм в основном тратит энергию на расщепление веществ.

2 этап. Аминокислоты, гексозы и жирные кислоты в ходе биохимических реакций превращаются в молочную и пировиноградную кислоты, а также в Ацетил коэнзим А. На данном этапе из пищевых веществ высвобождается до 30% потенциальной энергии.

3 этап. При полном окислении все вещества расщепляются до СО2 и Н2О. На данном этапе, в метаболическом котле Кребса, высвобождается оставшаяся часть энергии, около 70%. При этом не вся высвобождающаяся энергия аккумулируется в химическую энергию АТФ. Часть энергии распыляется в окружающую среду. Эта теплота получила название первичной теплоты (Q1). Энергия аккумулированная АТФ в дальнейшем расходуется на различные виды работы в организме: механическую, электрическую, химическую и активный транспорт. При этом часть энергии теряется в виде так называемой вторичной теплоты Q2. Смотри схему 1.

Н2О + СО2 + Q1 + АТФ

Механичес-кая работа

+ Q2

Электричес-кая работа

+ Q2

Схема 1. Источники энергии в организме, результаты полного окисления пищевых веществ и виды выделяемой теплоты в организме.

Следует добавить, что количество выделяемой при окислении пищевых веществ не зависит от количества промежуточных реакций, а зависит от начального и конечного состояния химической системы. Данное положение было впервые сформулировано Гессом (закон Гесса).

Более подробно данные процессы вы рассмотрите на лекциях и занятиях, которые будут проводить с вами преподаватели кафедры биохимии.

Энергетическая ценность пищевых веществ.

Энергетическая ценность пищевых веществ оценивается при помощи специальных устройств – оксикалориметрах. Установлено, что при полном окислении 1 г. углеводов выделяется 4,1 ккал (1 ккал=4187 Дж.), 1 г. жиров - 9.45 ккал., 1 г. белков – 5,65 ккал. Следует добавить, что часть пищевых веществ, поступающих в организм, не усваивается. Например, в среднем не усваивается около 2% углеводов, 5% жиров и до 8% белков. К тому же, не все пищевые вещества в организме расщепляются до конечных продуктов – углекислого газа (диоксида углерода) и воды. Например, часть продуктов неполного расщепления белков в виде мочевины выделяется с мочой.

С учетом вышеизложенного можно отметить, что реальная энерге-тическая ценность пищевых веществ несколько ниже, чем установлен-ная в экспериментальных условиях. Реальная энергетическая ценность 1 г. углеводов составляет 4,0 ккал, 1 г. жиров – 9,0 ккал, 1 г. белков – 4,0 ккал.

  1. Основные понятия и определения физиологии обмена веществ и энергии.

Интегральной (общей) характеристикой энергетического обмена организма человека являются суммарные энергетические траты или валовый энергетические траты.

Валовые энергетические траты организма - совокупность энергетических трат организма в течение суток в условиях его обычного (естественного) существования. Валовые энергетические траты включают три компонента: основной обмен, специфическое динамическое действие пищи и рабочую прибавку. Валовые энергетические траты оценивают в кдж/кг/сутки или ккал/кг/сутки(1 кдж=0,239 ккал).

Основной обмен.

Начало учению об основном обмене положили работы ученых Тартусского университета Биддера и Шмидта (Bidder and Schmidt, 1852).

Основной обмен – минимальный уровень энергетических трат, необходимый для поддержания жизнедеятельности организма.

Представление об основном обмене, как минимальном уровне энергетических трат организма предъявляет и ряд требований к условиям, в которых должен оцениваться данный показатель.

Условия, в которых должен оцениваться основной обмен:

  1. состояние полного физического и психического покоя (желательно в положении лежа);

  2. температура комфорта окружающей среды (18-20 градусов по Цельсию);

  3. спустя 10 – 12 часов после последнего приема пищи, чтобы избежать увеличения энергетического обмена, связанного с приемом пищи.

Факторы, влияющие на основной обмен.

Основной обмен зависит от возраста, роста, массы тела и половой принадлежности.

Влияние возраста на основной обмен.

Самый высокий основной обмен в пересчете на 1 кг. Массы тела у новорожденных (50-54 ккал/кг/сутки), самый низкий у пожилых людей (после 70 лет основной обмен составляет в среднем 30 ккал/кг/сутки). На постоянный уровень основной обмен выходит к моменту полового созревания к 12 – 14 годам и остается стабильным до 30-35 лет (около 40 ккал/кг/сутки).

Влияние роста и массы тела на основной обмен.

Между массой тела и основным обменом существует практически линейная, прямая зависимость – чем больше масса тела, тем больше уровень основного обмена. Однако, эта зависимость не абсолютна. При повышении массы тела за счет мышечной ткани указанная зависимость практически линейна, однако, если увеличение массы тела связано с увеличением количества жировой ткани эта зависимость приобретает нелинейный характер.

Поскольку масса тела при прочих равных условиях зависит от роста (чем больше рост – тем больше масса тела), между ростом и основным обменом существует прямая зависимость – чем больше рост, тем больше основной обмен.

Учитывая тот факт, что рост и масса тела влияют на общую площадь тела, М. Рубнер (M.Rubner) сформулировал закон, в соответствии с которым основной обмен зависит от площади тела: чем больше площадь тела, тем больше основной обмен. Однако, указанный закон практически перестает работать в условиях, когда температура окружающей среды равна температуре тела. Кроме того, неодинаковая волосистость кожи существенно изменяет теплообмен между организмом и окружающей средой и поэтому закон Рубнера в этих условиях также имеет ограничения.

Влияние половой принадлежности на уровень основного обмена.

У мужчин уровень основного обмена на 5-6% выше, чем у женщин. Это объясняется различным соотношением жировой и мышечной ткани на 1 кг массы тела, а также различным уровнем метаболизма в связи с различиями химической структуры половых гормонов и их физиологическими эффектами.

Специфическое динамическое действие пищи.

Термин специфическое динамическое действие пищи впервые ввел в научный обиход М.Рубнер в 1902 году.

Специфическое динамическое действие пищи – это повышение энергетического обмена организма человека, связанное с приемом пищи. Специфическое динамическое действие пищи – это энергетические траты организма на механизмы утилизации принимаемой пищи. Указанный эффект в изменении энергетического обмена отмечается с момента подготовки к приему пищи, во время приема пищи и продолжается 10-12 часов после приема пищи. Максимальное увеличение энергетического обмена после приема пищи отмечаеся через 3 – 3,5 часа. Специальные исследования показали, что на утилизацию пищи затрачивается от 6 до 10% ее энергетической ценности.

Рабочая прибавка.

Рабочая прибавка является третьим компонентом валовых энергетических трат организма. Рабочая прибавка является частью энергетических трат организма на мышечную деятельность в окружающей среде. При тяжелой физической работе энергетические траты организма могут повышаться в 2 раза по сравнению с уровнем основного обмена.

  1. Методы изучения энергетического обмена у человека.

Для изучения энергетического обмена у человека разработан целый ряд методов объединенный общим названием – калориметрия.

Обмен веществ и энергии

Обмен веществ и энергии, или метаболизм,— совокупность химических и физических превращений веществ и энергии, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность. Обмен веществ и энергии составляет единое целое и подчиняется закону сохранения материи и энергии.

Обмен веществ складывается из процессов ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция (анаболизм) — процесс усвоения организмом веществ, при котором расходуется энергия. Диссимиляция (катаболизм) — процесс распада сложных органических соединений, протекающий с высвобождением энергии.

Единственным источником энергии для организма человека является окисление органических веществ, поступающих с пищей. При расщеплении пищевых продуктов до конечных элементов — углекислого газа и воды,— выделяется энергия, часть которой переходит в механическую работу, выполняемую мышцами, другая часть используется для синтеза более сложных соединений или накапливается в специальных макроэргических соединениях.

Макроэргическими соединениями называют вещества, расщепление которых сопровождается выделением большого количества энергии. В организме человека роль макроэргических соединений выполняют аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и креатинфосфат (КФ).

ОБМЕН БЕЛКОВ.

Белками (протеинами) называют высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот. Функции:

Структурная, или пластическая, функция состоит в том, что белки являются главной составной частью всех клеток и межклеточных структур. Каталитическая, или ферментная, функция белков заключается в их способности ускорять биохимические реакции в организме.

Защитная функция белков проявляется в образовании иммунных тел (антител) при поступлении в организм чужеродного белка (например, бактерий). Кроме того, белки связывают токсины и яды, попадающие в организм, и обеспечивают свертывание крови и остановку кровотечения при ранениях.

Транспортная функция заключается в переносе многих веществ. Важнейшей функцией белков является передача наследственных свойств, в которой ведущую роль играют нуклеопротеиды. Различают два основных типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

Регуляторная функция белков направлена на поддержание биологических констант в организме.

Энергетическая роль белков состоит в обеспечении энергией всех жизненных процессов в организме животных и человека. При окислении 1 г белка в среднем освобождается энергия, равная 16,7 кДж (4,0 ккал).

Потребность в белках. В организме постоянно происходит распад и синтез белков. Единственным источником синтеза нового белка являются белки пищи. В пищеварительном тракте белки расщепляются ферментами до аминокислот и в тонком кишечнике происходит их всасывание. Из аминокислот и простейших пептидов клетки синтезируют собственный белок, который характерен только для данного организма. Белки не могут быть заменены другими пищевыми веществами, так как их синтез в организме возможен только из аминокислот. Вместе с тем белок может замещать собой жиры и углеводы, т. е. использоваться для синтеза этих соединений.

Биологическая ценность белков. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека и должны обязательно поступать с пищей в готовом виде. Эти аминокислоты принято называть незаменимыми, или жизненно-необходимыми. К ним относятся: валин, метионин, треонин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан и лизин, а у детей еще аргинин и гистидин. Недостаток незаменимых кислот в пище приводит к нарушениям белкового обмена в организме. Заменимые аминокислоты в основном синтезируются в организме.

Белки, содержащие весь необходимый набор аминокислот, называют биологически полноценными. Наиболее высока биологическая ценность белков молока, яиц, рыбы, мяса. Биологически неполноценными называют белки, в составе которых отсутствует хотя бы одна аминокислота, которая не может быть синтезирована в организме. Неполноценными белками являются белки кукурузы, пшеницы, ячменя.

Азотистый баланс. Азотистым балансом называют разность между количеством азота, содержащегося в пище человека, и его уровнем в выделениях.

Азотистое равновесие — состояние, при котором количество выведенного азота равно количеству поступившего в организм. Азотистое равновесие наблюдается у здорового взрослого человека.

Положительный азотистый баланс — состояние, при котором количество азота в выделениях организма значительно меньше, чем содержание его в пище, то есть наблюдается задержка азота в организме. Положительный азотистый баланс отмечается у детей в связи с усиленным ростом, у женщин во время беременности, при усиленной спортивной тренировке, приводящей к увеличению мышечной ткани, при заживлении массивных ран или выздоровлении после тяжелых заболеваний.

Азотистый дефицит (отрицательный азотистый баланс) отмечается тогда, когда количество выделяющегося азота больше содержания его в пище, поступающей в организм. Отрицательный азотистый баланс наблюдается при белковом голодании, лихорадочных состояниях, нарушениях нейроэндокринной регуляции белкового обмена.

Распад белка и синтез мочевины. Важнейшими азотистыми продуктами распада белков, которые выделяются с мочой и потом, являются мочевина, мочевая кислота и аммиак.

ОБМЕН ЖИРОВ.

Жиры делят на простые липиды (нейтральные жиры, воски), сложные липиды (фосфолипиды, гликолипиды, сульфолипиды) и стероиды (холестерин и др.). Основная масса липидов представлена в организме человека нейтральными жирами. Нейтральные жиры пищи человека являются важным источником энергии. При окислении 1 г жира выделяется 37,7 кДж (9,0 ккал) энергии.

Суточная потребность взрослого человека в нейтральном жире составляет 70—80 г, детей 3—10 лет — 26—30 г.

Нейтральные жиры в энергетическом отношении могут быть заменены углеводами. Однако есть ненасыщенные жирные кислоты — линолевая, линоленовая и арахидоновая, которые должны обязательно содержаться в пищевом рационе человека, их называют не заменимыми жирными кислотами.

Нейтральные жиры, входящие в состав пищи и тканей человека, представлены главным образом триглицеридами, содержащими жирные кислоты — пальмитиновую, стеариновую, олеиновую, линолевую и линоленовую.

В обмене жиров важная роль принадлежит печени. Печень — основной орган, в котором происходит образование кетоновых тел (бета-оксимасляная, ацетоуксусная кислоты, ацетон). Кетоновые тела используются как источник энергии.

Фосфо- и гликолипиды входят в состав всех клеток, но главным образом в состав нервных клеток. Печень является практически единственным органом, поддерживающим уровень фосфолипидов в крови. Холестерин и другие стероиды могут поступать с пищей или синтезироваться в организме. Основным местом синтеза холестерина является печень.

В жировой ткани нейтральный жир депонируется виде триглицеридов.

Образование жиров из углеводов. Избыточное употребление углеводов с пищей приводит к отложению жира в организме. В норме у человека 25—30% углеводов пищи превращается в жиры.

Образование жиров из белков. Белки являются пластическим материалом. Только при чрезвычайных обстоятельствах белки используются для энергетических целей. Превращение белка в жирные кислоты происходит, вероятнее всего, через образование углеводов.

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ.

Биологическая роль углеводов для организма человека определяется прежде всего их энергетической функцией. Энергетическая ценность 1 г углеводов составляет 16,7 кДж (4,0 ккал). Углеводы являются непосредственным источником энергии для всех клеток организма, выполняют пластическую и опорную функции.

Суточная потребность взрослого человека в углеводах составляет около 0,5 кг. Основная часть их (около 70%) окисляется в тканях до воды и углекислого газа. Около 25—28% пищевой глюкозы превращается в жир и только 2—5% ее синтезируется в гликоген — резервный углевод организма.

Единственной формой углеводов, которая может всасываться, являются моносахара. Они всасываются главным образом в тонком кишечнике, током крови переносятся в печень и к тканям. В печени из глюкозы синтезируется гликоген. Этот процесс носит название гликогенеза. Гликоген может распадаться до глюкозы. Это явление называют гликогенолизом. В печени возможно новообразование углеводов из продуктов их распада (пировиноградной или молочной кислоты), а также из продуктов распада жиров и белков (кетокислот), что обозначается как гликонеогенез. Гликогенез, гликогенолиз и гликонеогенез — тесно взаимосвязанные и протекающие в печени процессы, обеспечивающие оптимальный уровень сахара крови.

В мышцах, так же как и в печени, синтезируется гликоген. Распад гликогена является одним из источников энергии мышечного сокращения. При распаде мышечного гликогена процесс идет до образования пировиноградной и молочной кислот. Этот процесс называют гликолизом. В фазе отдыха из молочной кислоты в мышечной ткани происходит ре-синтез гликогена.

Головной мозг содержит небольшие запасы углеводов и нуждается в постоянном поступлении глюкозы. Глюкоза в тканях мозга преимущественно окисляется, а небольшая часть ее превращается в молочную кислоту. Энергетические расходы мозга покрываются исключительно за счет углеводов. Снижение поступления в мозг глюкозы сопровождается изменением обменных процессов в нервной ткани и нарушением функций мозга.

Образование углеводов из белков и жиров (гликонеогенез). В результате превращения аминокислот образуется пировиноградная кислота, при окислении жирных кислот — ацетилкоэнзим А, который может превращаться в пировиноградную кислоту — предшественник глюкозы. Это наиболее важный общий путь биосинтеза углеводов.

Между двумя основными источниками энергии — углеводами и жирами — существует тесная физиологическая взаимосвязь. Повышение содержания глюкозы в крови увеличивает биосинтез триглицеридов и уменьшает распад жиров в жировой ткани. В кровь меньше поступает свободных жирных кислот. Если возникает гипогликемия, то процесс синтеза триглицеридов тормозится, ускоряется распад жиров и в кровь в большом количестве поступают свободные жирные кислоты.

ВОДНО-СОЛЕВОЙ ОБМЕН.

Все химические и физико-химические процессы, протекающие в организме, осуществляются в водной среде. Вода выполняет в организме следующие важнейшие функции: 1) служит растворителем продуктов питания и обмена; 2) переносит растворенные в ней вещества; 3) ослабляет трение между соприкасающимися поверхностями в теле человека; 4) участвует в регуляции температуры тела за счет большой теплопроводности, большой теплоты испарения.

Общее содержание воды в организме взрослого человека составляет 50—60% от его массы, то есть достигает 40—45 л.

Принято делить воду на внутриклеточную, интрацеллюлярную (72%) и внеклеточную, экстрацеллюлярную (28%). Внеклеточная вода размещена внутри сосудистого русла (в составе крови, лимфы, цереброспинальной жидкости) и в межклеточном пространстве.

Вода поступает в организм через пищеварительный тракт в виде жидкости или воды, содержащейся в плотных пищевых продуктах. Некоторая часть воды образуется в самом организме в процессе обмена веществ.

При избытке в организме воды наблюдается общая гипергидратация (водное отравление), при недостатке воды нарушается метаболизм. Потеря 10% воды приводит к состоянию дегидратации (обезвоживание), при потере 20% воды наступает смерть.

Вместе с водой в организм поступают и минеральные вещества (соли). Около 4% сухой массы пищи должны составлять минеральные соединения.

Важной функцией электролитов является участие их в ферментативных реакциях.

Натрий обеспечивает постоянство осмотического давления внеклеточной жидкости, участвует в создании биоэлектрического мембранного потенциала, в регуляции кислотно-основного состояния.

Калий обеспечивает осмотическое давление внутриклеточной жидкости, стимулирует образование ацетилхолина. Недостаток ионов калия тормозит анаболические процессы в организме.

Хлор является также важнейшим анионом внеклеточной жидкости, обеспечивая постоянство осмотического давления.

Кальций и фосфор находятся в основном в костной ткани (свыше 90%). Содержание кальция в плазме и крови является одной из биологических констант, так как даже незначительные сдвиги в уровне этого иона могут приводить к тяжелейшим последствиям для организма. Снижение уровня кальция в крови вызывает непроизвольные сокращения мышц, судороги, и вследствие остановки дыхания наступает смерть. Повышение содержания кальция в крови сопровождается уменьшением возбудимости нервной и мышечной тканей, появлением парезов, параличей, образованием почечных камней. Кальций необходим для построения костей, поэтому он должен поступать в достаточном количестве в организм с пищей.

Фосфор участвует в обмене многих веществ, так как входит в состав макроэргических соединений (например, АТФ). Большое значение имеет отложение фосфора в костях.

Железо входит в состав гемоглобина, миоглобина, ответственных за тканевое дыхание, а также в состав ферментов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. Недостаточное поступление в организм железа нарушает синтез гемоглобина. Уменьшение синтеза гемоглобина ведет к анемии (малокровию). Суточная потребность в железе взрослого человека составляет 10—30 мкг.

Йод в организме содержится в небольшом количестве. Однако его значение велико. Это связано с тем, что йод входит в состав гормонов щитовидной железы, оказывающих выраженное влияние на все обменные процессы, рост и развитие организма.

Образование и расход энергии.

Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, накапливается в форме АТФ, количество которой в тканях организма поддерживается на высоком уровне. АТФ содержится в каждой клетке организма. Наибольшее количество ее обнаруживается в скелетных мышцах — 0,2—0,5%. Любая деятельность клетки всегда точно совпадает по времени с распадом АТФ.

Разрушившиеся молекулы АТФ должны восстановиться. Это происходит за счет энергии, которая освобождается при распаде углеводов и других веществ.

О количестве затраченной организмом энергии можно судить по количеству тепла, которое он отдает во внешнюю среду.

Методы измерения затрат энергии (прямая и непрямая калориметрия).

Дыхательный коэффициент.

Прямая калориметрия основана на непосредственном определении тепла, высвобождающегося в процессе жизнедеятельности организма. Человека помещают в специальную калориметрическую камеру, в которой учитывают все количество тепла, отдаваемого телом человека. Тепло, выделяемое организмом, поглощается водой, протекающей по системе труб, проложенных между стенками камеры. Метод очень громоздок, применение его возможно в специальных научных учреждениях. Вследствие этого в практической медицине широко используют метод непрямой калориметрии. Сущность этого метода заключается в том, что сначала определяют объем легочной вентиляции, а затем — количество поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа. Отношение объема выделенного углекислого газа к объему поглощенного кислорода носит название дыхательного коэффициента. По величине дыхательного коэффициента можно судить о характере окисляемых веществ в организме.

При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1 так как для полного окисления 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды потребуется 6 молекул кислорода, при этом выделяется 6 молекул углекислого газа:

С6Н12О6+602=6С02+6Н20

Дыхательный коэффициент при окислении белка равен 0,8, при окислении жиров — 0,7.

Определение расхода энергии по газообмену. Количество тепла, высвобождающегося в организме при потреблении 1 л кислорода — калорический эквивалент кислорода — зависит от того, на окислении каких веществ используется кислород. Калорический эквивалент кислорода при окислении углеводов равен 21,13 кДж (5,05 ккал), белков — 20,1 кДж (4,8 ккал), жиров — 19,62 кДж (4,686 ккал).

Расход энергии у человека определяют следующим образом. Человек дышит в течение 5 мин, через мундштук (загубник), взятый в рот. Мундштук, соединенный с мешком из прорезиненной ткани, имеет клапаны. Они устроены так, что человек свободно вдыхает атмосферный воздух, а выдыхает воздух в мешок. С помощью газовых часов измеряют объем выдохнутого воздуха. По показателям газоанализатора определяют процентное содержание кислорода и углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом человеком воздухе. Затем рассчитывают количество поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, а также дыхательный коэффициент. С помощью соответствующей таблицы по величине дыхательного коэффициента устанавливают калорический эквивалент кислорода и определяют расход энергии.

Основной обмен и его значение.

Основной обмен — минимальное количество энергии, необходимое для поддержания нормальной жизнедеятельности организма в состоянии полного покоя при исключении всех внутренних и внешних влияний, которые могли бы повысить уровень обменных процессов. Основной обмен веществ определяют утром натощак (через 12—14 ч после последнего приема пищи), в положении лежа на спине, при полном расслаблении мышц, в условиях температурного комфорта (18—20° С). Выражается основной обмен количеством энергии, выделенной организмом (кДж/сут).

В состоянии полного физического и психического покоя организм расходует энергию на: 1) постоянно совершающиеся химические процессы; 2) механическую работу, выполняемую отдельными органами (сердце, дыхательные мышцы, кровеносные сосуды, кишечник и др.); 3) постоянную деятельность железисто-секреторного аппарата.

Основной обмен веществ зависит от возраста, роста, массы тела, пола. Самый интенсивный основной обмен веществ в расчете на 1 кг массы тела отмечается у детей. С увеличением массы тела усиливается основной обмен веществ. Средняя величина основного обмена веществ у здорового человека равна приблизительно 4,2 кДж (1 ккал) в 1 ч на 1 кг массы тела.

По расходу энергии в состоянии покоя ткани организма неоднородны. Более активно расходуют энергию внутренние органы, менее активно — мышечная ткань.

Интенсивность основного обмена веществ в жировой ткани в 3 раза ниже, чем в остальной клеточной массе организма. Худые люди производят больше тепла на 1 кг массы тела, чем полные.

У женщин основной обмен веществ ниже, чем у мужчин. Это связано с тем, что у женщин меньше масса и поверхность тела. Согласно правилу Рубнера основной обмен веществ приблизительно пропорционален поверхности тела.

Отмечены сезонные колебания величины основного обмена веществ – повышение его весной и снижение зимой. Мышечная деятельность вызывает повышение обмена веществ пропорционально тяжести выполняемой работы.

К значительным изменениям основного обмена приводят нарушения функций органов и систем организма. При повышенной функции щитовидной железы, малярии, брюшном тифе, туберкулезе, сопровождающихся лихорадкой, основной обмен веществ усиливается.

Расход энергии при физической нагрузке.

При мышечной работе значительно увеличиваются энергетические затраты организма. Это увеличение энергетических затрат составляет рабочую прибавку, которая тем больше, чем интенсивнее работа.

По сравнению со сном при медленной ходьбе расход энергии увеличивается в 3 раза, а при беге на короткие дистанции во время соревнований — более чем в 40 раз.

При кратковременных нагрузках энергия расходуется за счет окисления углеводов. При длительных мышечных нагрузках в организме расщепляются преимущественно жиры (80% всей необходимой энергии). У тренированных спортсменов энергия мышечных сокращений обеспечивается исключительно за счет окисления жиров. У человека, занимающегося физическим трудом, энергетические затраты возрастают пропорционально интенсивности труда.

ПИТАНИЕ.

Восполнение энергетических затрат организма происходит за счет питательных веществ. В пище должны содержаться белки, углеводы, жиры, минеральные соли и витамины в небольших количествах и правильном соотношении. Усвояемость пищевых веществ зависит от индивидуальных особенностей и состояния организма, от количества и качества пищи, соотношения различных составных частей ее, способа приготовления. Растительные продукты усваиваются хуже, чем продукты животного происхождения, потому что в растительных продуктах содержится большее количество клетчатки.

Белковый режим питания способствует осуществлению процессов всасывания и усвояемости пищевых веществ. При преобладании в пище углеводов усвоение белков и жиров снижается. Замена растительных продуктов продуктами животного происхождения усиливает обменные процессы в организме. Если вместо растительных давать белки мясных или молочных продуктов, а вместо ржаного хлеба — пшеничный, то усвояемость продуктов питания значительно повышается.

Таким образом, чтобы обеспечить правильное питание человека, необходимо учитывать степень усвоения продуктов организмом. Кроме того, пища должна обязательно содержать все незаменимые (обязательные) питательные вещества: белки и незаменимые аминокислоты, витамины, высоконепредельные жирные кислоты, минеральные вещества и воду.

Основную массу пищи (75-80%) составляют углеводы и жиры.

Пищевой рацион – количество и состав продуктов питания, необходимых человеку в сутки. Он должен восполнять суточные энергетические затраты организма и включать в достаточном количестве все питательные вещества.

Для составления пищевых рационов необходимо знать содержание белков, жиров и углеводов в продуктах и их энергетическую ценность. Имея эти данные, можно составить научно обоснованных пищевой рацион для людей разного возраста, пола и рода занятий.

Режим питания и его физиологическое значение. Необходимо соблюдать определенный режим питания, правильно его организовать: постоянные часы приема пищи, соответствующие интервалы между ними, распределение суточного рациона в течение дня. Принимать пищу следует всегда в определенное время не реже 3 раз в сутки: завтрак, обед и ужин. Завтрак по энергетической ценности должен составлять около 30% от общего рациона, обед — 40—50%, а ужин — 20—25%. Рекомендуется ужинать за 3 ч до сна.

Правильное питание обеспечивает нормальное физическое развитие и психическую деятельность, повышает работоспособность, реактивность и устойчивость организма к влиянию окружающей среды.

Согласно учению И. П. Павлова об условных рефлексах, организм человека приспосабливается к определенному времени приема пищи: появляется аппетит и начинают выделяться пищеварительные соки. Правильные промежутки между приемами пищи обеспечивают чувство сытости в течение этого времени.

Трехкратный прием пищи в общем физиологичен. Однако предпочтительнее четырехразовое питание, при котором повышается усвоение пищевых веществ, в частности белков, не ощущается чувство голода в промежутках между отдельными приемами пищи и сохраняется хороший аппетит. В этом случае энергетическая ценность завтрака составляет 20%, обед — 35%, полдник—15%, ужин — 25%.

Рациональное питание. Питание считается рациональным, если полностью удовлетворяется потребность в пище в количественном и качественном отношении, возмещаются все энергетические затраты. Оно содействует правильному росту и развитию организма, увеличивает его сопротивляемость вредным воздействиям внешней среды, способствует развитию функциональных возможностей организма и повышает интенсивность труда. Рациональное питание предусматривает разработку пищевых рационов и режимов питания применительно к различным контингентам населения и условиям жизни.

Как уже указывалось, питание здорового человека строится на основании суточных пищевых рационов. Рацион и режим питания больного называются диетой. Каждая диета имеет определенные составные части пищевого рациона и характеризуется следующими признаками: 1) энергетической ценностью; 2) химическим составом; 3) физическими свойствами (объем, температура, консистенция); 4)режимом питания.

Регуляция обмена веществ и энергии.

Условнорефлекторные изменения обмена веществ и энергии наблюдаются у человека в предстартовых и предрабочих состояниях. У спортсменов до начала соревнования, а у рабочего перед работой отмечается повышение обмена веществ, температуры тела, увеличивается потребление кислорода и выделение углекислого газа. Можно вызвать условнорефлекторные изменения обмена веществ, энергетических и тепловых процессов у людей на словесный раздражитель.

Влияние нервной системы на обменные и энергетические процессы в организме осуществляется несколькими путями:

- Непосредственное влияние нервной системы (через гипоталамус, эфферентные нервы) на ткани и органы;

- опосредованное влияние нервной системы через гипофиз (соматотропин);

- опосредованное влияние нервной системы через тропные гормоны гипофиза и периферические железы внутренней секреции;

-прямоевлияниенервной системы (гипоталамус) на активность желез внутренней секреции и через них на обменные процессы в тканях и органах.

Основным отделом центральной нервной системы, который регулирует все виды обменных и энергетических процессов, является гипоталамус. Выраженное влияние на обменные процессы и теплообразование оказывают железы внутренней секреции. Гормоны коры надпочечников и щитовидной железы в больших количествах усиливают катаболизм, т. е. распад белков.

В организме ярко проявляется тесное взаимосвязанное влияние нервной и эндокринной систем на обменные и энергетические процессы. Так, возбуждение симпатической нервной системы не только оказывает прямое стимулирующее влияние на обменные процессы, но при этом увеличивается секреция гормонов щитовидной железы и надпочечников (тироксин и адреналин). За счет этого дополнительно усиливается обмен веществ и энергии. Кроме того, эти гормоны сами повышают тонус симпатического отдела нервной системы. Значительные изменения в метаболизме и теплообмене происходят при дефиците в организме гормонов желез внутренней секреции. Например, недостаток тироксина приводит к снижению основного обмена. Это связано с уменьшением потребления кислорода тканями и ослаблением теплообразования. В результате снижается температура тела.

Гормоны желез внутренней секреции участвуют в регуляции обмена веществ и энергии, изменяя проницаемость клеточных мембран (инсулин), активируя ферментные системы организма (адреналин, глюкагон и др.) и влияя на их биосинтез (глюкокортикоиды).

Таким образом, регуляция обмена веществ и энергии осуществляется нервной и эндокринной системами, которые обеспечивают приспособление организма к меняющимся условиям его обитания.

Лекция № 2

ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. РАЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ.

План лекции.

  1. Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Источники энергии в организме.

  2. Основные понятия и определения физиологии обмена веществ и энергии.

  3. Методы изучения энергетического обмена у человека.

  4. Понятие о рациональном питании. Правила составления пищевых рационов.

  1. Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Источники энергии в организме.

Организм человека представляет собой открытую термодина-мическую систему, которая характеризуется наличием обмена веществ и энергии.

Обмен веществ и энергии – это совокупность физических, биохимических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в организме человека и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Указанные процессы, протекающие в организме человека изучают многие науки: биофизика, биохимия, молекулярная биология, эндокринология и , конечно же, физиология.

Обмен веществ и обмен энергии тесно взаимосвязаны между собой, однако, с целью упрощения понятий, их рассматривают раздельно.

Обмен веществ (метаболизм) – совокупность химических и физических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.

В обмене веществ различают две направленности процессов по отношению к структурам организма: ассимиляцию или анаболизм и диссимиляцию или катаболизм.

Ассимиляция(анаболизм) – совокупность процессов создания жи-вой материи. Указанные процессы потребляют энергию.

Диссимиляция(катаболизм) – совокупность процессов распада жи-вой материи. В результате диссимиляции энергия воспроизводится.

Жизнь животных и человека представляет из себя единство процес-сов ассимиляции и диссимиляции. Факторами, сопрягающими данные процессы, являются две системы:

  • АТФ – АДФ (АТФ - аденозин три фосфат, АДФ – аденозин ди фосфат;

  • НАДФ (окисленный) – НАДФ (восстановленный), где НАДФ – никотин амид ди фосфат.

Посредничество указанных соединений между процессами ассимиляции и диссимиляции обеспечивается тем, что молекулы АТФ и НАДФ выступают в роли универсальных биологических аккумуляторов энергии, ее переносчика, своеобразной «энергетической валютой» организма. Вместе с тем, прежде чем энергия аккумулируется в молекулах АТФ и НАДФ, ее необходимо извлечь из питательных веществ, которые поступают с пищей в организм. Такими пищевыми веществами являются известные вам белки, жиры и углеводы. К этому же следует добавить, что питательные вещества выполняют не только функцию поставщиков энергии, но и функцию поставщиков строительного материала (пластическая функция) для клеток, тканей и органов. Роль различных питательных веществ в реализации пластических и энергетических потребностей организма неодинакова. Углеводы в первую очередь выполняют энергетическую функцию, пластическая функция углеводов незначительна. Жиры в равной степени выполняют и энергетические и пластические функции. Белки являются основным строительным материалом для организма, но при определенных условиях могут являться и источниками энергии.

Источники энергии в организме.

Как уже отмечалось выше, основными источниками энергии в организме являются пищевые вещества: углеводы, жиры и белки. Освобождение энергии, содержащейся в пищевых веществах, в организме человека протекает в три этапа:

1 этап. Белки расщепляются до аминокислот, углеводы - до гексоз, например, до глюкозы или фруктозы, жиры – до глицерина и жирных кислот. На данном этапе организм в основном тратит энергию на расщепление веществ.

2 этап. Аминокислоты, гексозы и жирные кислоты в ходе биохимических реакций превращаются в молочную и пировиноградную кислоты, а также в Ацетил коэнзим А. На данном этапе из пищевых веществ высвобождается до 30% потенциальной энергии.

3 этап. При полном окислении все вещества расщепляются до СО2 и Н2О. На данном этапе, в метаболическом котле Кребса, высвобождается оставшаяся часть энергии, около 70%. При этом не вся высвобождающаяся энергия аккумулируется в химическую энергию АТФ. Часть энергии распыляется в окружающую среду. Эта теплота получила название первичной теплоты (Q1). Энергия аккумулированная АТФ в дальнейшем расходуется на различные виды работы в организме: механическую, электрическую, химическую и активный транспорт. При этом часть энергии теряется в виде так называемой вторичной теплоты Q2. Смотри схему 1.

Н2О + СО2 + Q1 + АТФ

Механичес-кая работа

+ Q2

Электричес-кая работа

+ Q2

Схема 1. Источники энергии в организме, результаты полного окисления пищевых веществ и виды выделяемой теплоты в организме.

Следует добавить, что количество выделяемой при окислении пищевых веществ не зависит от количества промежуточных реакций, а зависит от начального и конечного состояния химической системы. Данное положение было впервые сформулировано Гессом (закон Гесса).

Более подробно данные процессы вы рассмотрите на лекциях и занятиях, которые будут проводить с вами преподаватели кафедры биохимии.

Энергетическая ценность пищевых веществ.

Энергетическая ценность пищевых веществ оценивается при помощи специальных устройств – оксикалориметрах. Установлено, что при полном окислении 1 г. углеводов выделяется 4,1 ккал (1 ккал=4187 Дж.), 1 г. жиров - 9.45 ккал., 1 г. белков – 5,65 ккал. Следует добавить, что часть пищевых веществ, поступающих в организм, не усваивается. Например, в среднем не усваивается около 2% углеводов, 5% жиров и до 8% белков. К тому же, не все пищевые вещества в организме расщепляются до конечных продуктов – углекислого газа (диоксида углерода) и воды. Например, часть продуктов неполного расщепления белков в виде мочевины выделяется с мочой.

С учетом вышеизложенного можно отметить, что реальная энерге-тическая ценность пищевых веществ несколько ниже, чем установлен-ная в экспериментальных условиях. Реальная энергетическая ценность 1 г. углеводов составляет 4,0 ккал, 1 г. жиров – 9,0 ккал, 1 г. белков – 4,0 ккал.

  1. Основные понятия и определения физиологии обмена веществ и энергии.

Интегральной (общей) характеристикой энергетического обмена организма человека являются суммарные энергетические траты или валовый энергетические траты.

Валовые энергетические траты организма - совокупность энергетических трат организма в течение суток в условиях его обычного (естественного) существования. Валовые энергетические траты включают три компонента: основной обмен, специфическое динамическое действие пищи и рабочую прибавку. Валовые энергетические траты оценивают в кдж/кг/сутки или ккал/кг/сутки(1 кдж=0,239 ккал).

Основной обмен.

Начало учению об основном обмене положили работы ученых Тартусского университета Биддера и Шмидта (Bidder and Schmidt, 1852).

Основной обмен – минимальный уровень энергетических трат, необходимый для поддержания жизнедеятельности организма.

Представление об основном обмене, как минимальном уровне энергетических трат организма предъявляет и ряд требований к условиям, в которых должен оцениваться данный показатель.

Условия, в которых должен оцениваться основной обмен:

  1. состояние полного физического и психического покоя (желательно в положении лежа);

  2. температура комфорта окружающей среды (18-20 градусов по Цельсию);

  3. спустя 10 – 12 часов после последнего приема пищи, чтобы избежать увеличения энергетического обмена, связанного с приемом пищи.

Факторы, влияющие на основной обмен.

Основной обмен зависит от возраста, роста, массы тела и половой принадлежности.

Влияние возраста на основной обмен.

Самый высокий основной обмен в пересчете на 1 кг. Массы тела у новорожденных (50-54 ккал/кг/сутки), самый низкий у пожилых людей (после 70 лет основной обмен составляет в среднем 30 ккал/кг/сутки). На постоянный уровень основной обмен выходит к моменту полового созревания к 12 – 14 годам и остается стабильным до 30-35 лет (около 40 ккал/кг/сутки).

Влияние роста и массы тела на основной обмен.

Между массой тела и основным обменом существует практически линейная, прямая зависимость – чем больше масса тела, тем больше уровень основного обмена. Однако, эта зависимость не абсолютна. При повышении массы тела за счет мышечной ткани указанная зависимость практически линейна, однако, если увеличение массы тела связано с увеличением количества жировой ткани эта зависимость приобретает нелинейный характер.

Поскольку масса тела при прочих равных условиях зависит от роста (чем больше рост – тем больше масса тела), между ростом и основным обменом существует прямая зависимость – чем больше рост, тем больше основной обмен.

Учитывая тот факт, что рост и масса тела влияют на общую площадь тела, М. Рубнер (M.Rubner) сформулировал закон, в соответствии с которым основной обмен зависит от площади тела: чем больше площадь тела, тем больше основной обмен. Однако, указанный закон практически перестает работать в условиях, когда температура окружающей среды равна температуре тела. Кроме того, неодинаковая волосистость кожи существенно изменяет теплообмен между организмом и окружающей средой и поэтому закон Рубнера в этих условиях также имеет ограничения.

Влияние половой принадлежности на уровень основного обмена.

У мужчин уровень основного обмена на 5-6% выше, чем у женщин. Это объясняется различным соотношением жировой и мышечной ткани на 1 кг массы тела, а также различным уровнем метаболизма в связи с различиями химической структуры половых гормонов и их физиологическими эффектами.

Специфическое динамическое действие пищи.

Термин специфическое динамическое действие пищи впервые ввел в научный обиход М.Рубнер в 1902 году.

Специфическое динамическое действие пищи – это повышение энергетического обмена организма человека, связанное с приемом пищи. Специфическое динамическое действие пищи – это энергетические траты организма на механизмы утилизации принимаемой пищи. Указанный эффект в изменении энергетического обмена отмечается с момента подготовки к приему пищи, во время приема пищи и продолжается 10-12 часов после приема пищи. Максимальное увеличение энергетического обмена после приема пищи отмечаеся через 3 – 3,5 часа. Специальные исследования показали, что на утилизацию пищи затрачивается от 6 до 10% ее энергетической ценности.

Рабочая прибавка.

Рабочая прибавка является третьим компонентом валовых энергетических трат организма. Рабочая прибавка является частью энергетических трат организма на мышечную деятельность в окружающей среде. При тяжелой физической работе энергетические траты организма могут повышаться в 2 раза по сравнению с уровнем основного обмена.

  1. Методы изучения энергетического обмена у человека.

Для изучения энергетического обмена у человека разработан целый ряд методов объединенный общим названием – калориметрия.

Какие процессы в организме обеспечивают его энергией

Энергия не может возникнуть ниоткуда или исчезнуть в никуда, она может только превращаться из одного вида в другой. А от чего зависит энергия человека?

Вся энергия на Земле берется от Солнца. Растения способны превращать солнечную энергию в химическую (фотосинтез).

Люди не могут напрямую использовать энергию Солнца, однако мы можем получать энергию из растений. Мы едим либо сами растения, либо мясо животных, которые ели растения. Человек получает всю энергию из еды и питья.

Энергия человека для его жизнедеятельности зависит от употребляемой им пищи. Единицей измерения энергии является калория. Одна калория – это количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг воды на 1°С. Большую часть энергии мы получаем из следующих питательных веществ:

– Углеводы – 4ккал (17кДж) на 1г – Белки (протеин) – 4ккал (17кДж) на 1г

– Жиры – 9ккал (37кДж) на 1г

Углеводы (сахара и крахмал) являются важнейшим источником энергии, больше всего их содержится в хлебе, рисе и макаронах. Хорошими источниками протеина служат мясо, рыба и яйца. Сливочное и растительное масло, а также маргарин почти полностью состоят из жирных кислот. Волокнистая пища, а также алкоголь также дают организму энергию, но уровень их потребления сильно отличается у разных людей.

Витамины и минералы сами по себе не дают организму энергию, однако, они принимают участие в важнейших процессах энергообмена в организме.

Энергетическая ценность различных пищевых продуктов сильно отличается. Здоровые люди достигают сбалансированности своей диеты потреблением самой разнообразной пищи. Очевидно, что, чем более активный образ жизни ведет человек, тем больше он нуждается в пище, или тем более энергоемкой она должна быть.

Самым важным источником энергии для человека являются углеводы.

Сбалансированная диета обеспечивает организм разными видами углеводов, но большая часть энергии должна поступать из крахмала. В последние годы немало внимания уделялось изучению связи между компонентами питания людей и различными болезнями. Исследователи сходятся во мнении, что людям необходимо уменьшать потребление жирной пищи в пользу углеводов.

После того, как пища проглатывается, она некоторое время находится в желудке. Там под воздействием пищеварительных соков начинается ее переваривание. Этот процесс продолжается в тонком кишечнике, в результате компоненты пищи распадаются на более мелкие единицы, и становится возможной их абсорбция через стенки кишечника в кровь. После этого организм может использовать питательные вещества на производство энергии, которая вырабатывается и хранится в виде аденозин трифосфат (АТФ).

Молекула АТФ из аденозина и трех фосфатных групп, соединенных в ряд. Запасы энергии «сосредоточены» в химических связях между фосфатными группами. Чтобы высвободить эту потенциальную энергию одна фосфатная группа должна отсоединиться, т.е. АТФ распадается до АДФ (аденозин дифосфат) с выделением энергии.

Аденозинтрифосфат (сокр. АТФ, англ. АТР) — нуклеотид, играет исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь соединение известно как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. АТФ является основным переносчиком энергии в клетке.

В каждой клетке содержится очень ограниченное количество АТФ, которое обычно расходуется за считанные секунды. Для восстановления АДФ до АТФ требуется энергия, которая и получается в процессе окисления углеводов, протеина и жирных кислот в клетках.

После того, как питательные вещества абсорбируются в организме, некоторая их часть откладывается в запас как резервное топливо в виде гликогена или жира.

Гликоген также относится к классу углеводов. Запасы его в организме ограничены и хранятся в печени и мышечной ткани. Во время физических нагрузок гликоген распадается до глюкозы, и вместе с жиром и глюкозой, циркулирующей в крови, обеспечивает энергией работающие мышцы. Пропорции расходуемых питательных веществ зависят от типа и продолжительности физических упражнений.

Гликоген состоит из молекул глюкозы, соединенных в длинные цепочки. Если запасы гликогена в организме в норме, то избыточные углеводы, поступающие в организм, будут превращаться с жир.

Обычно протеин и аминокислоты не используются в организме как источники энергии. Однако при дефиците питательных веществ на фоне повышенных энергозатрат аминокислоты, содержащиеся в мышечной ткани, могут также расходоваться на энергию. Протеин, поступающий с пищей, может служить источником энергии и превращаться в жир в том случае, если потребности в нем, как в строительном материале, полностью удовлетворены.

В самом начале тренировки, или когда энергозатраты резко возрастают (спринт), потребность в энергии больше, чем уровень, с которым происходит синтез АТФ с помощью окисления углеводов. Вначале углеводы «сжигаются» анаэробно (без участия кислорода), это процесс сопровождается выделением молочной кислоты (лактата). В результате освобождается некоторое количество АТФ – меньше, чем при аэробной реакции (с участием кислорода), но быстрее.

Другим «быстрым» источником энергии, идущим на синтез АТФ, является креатин фосфат. Небольшие количества этого вещества содержатся в мышечной ткани. При распаде креатин фосфата освобождается энергия, необходимая для восстановления АДФ до АТФ. Этот процесс протекает очень быстро, и запасов креатин фосфата в организме хватает лишь на 10-15 секунд «взрывной» работы, т.е. креатин фосфат является своеобразным буфером, покрывающим краткосрочный дефицит АТФ.

В это время в организме начинает работать аэробный метаболизм углеводов, прекращается использование креатин фосфата и образование лактата (молочной кислоты). Запасы жирных кислот мобилизуются и становятся доступными как источник энергии для работающих мышц, при этом повышается уровень восстановления АДФ до АТФ за счет окисления жиров.

Между пятой и пятнадцатой минутой после начала тренировки в организме повышенная потребность в АТФ стабилизируется. В течение продолжительной, относительно ровной по интенсивности тренировки синтез АТФ поддерживается за счет окисления углеводов (гликогена и глюкозы) и жирных кислот. Запасы креатин фосфата в это время постепенно восстанавливаются.

Креатин является аминокислотой , которая синтезируется в печени из аргинина и глицина. Именно креатин позволяет спортсменам выдерживать высочайшие нагрузки с большей легкостью. Благодаря его действию в мышцах человека задерживается выделение молочной кислоты, которая и вызывает многочисленные мышечные боли.

С другой стороны креатин позволяет производить сильные физические нагрузки благодаря высвобождению большого количества энергии в организме.

При возрастании нагрузки (например, при беге в гору) расход АТФ увеличивается, причем, если это возрастание значительное, организм вновь переходит на анаэробное окисление углеводов с образованием лактата и использование креатин фосфата. Если организм не успевает восстанавливать уровень АТФ, может быстро наступить состояние усталости.

Углеводы являются самым важным и самым дефицитным источником энергии для работающих мышц. Они необходимы при любом виде физической активности. В организме человека углеводы хранятся в небольших количествах в виде гликогена в печени и в мышцах. Во время тренировки гликоген расходуется, и вместе с жирными кислотами и глюкозой, циркулирующей в крови, используется как источник мышечной энергии. Соотношение различных используемых источников энергии зависит от типа и продолжительности упражнений.

Несмотря на то, что в жире больше энергии, его утилизация происходит медленнее, и синтез АТФ через окисление жирных кислот поддерживается использованием углеводов и креатин фосфата.

Когда запасы углеводов истощаются, организм становится не в состоянии переносить высокие нагрузки. Таким образом, углеводы являются источником энергии, лимитирующим уровень нагрузки во время тренировки.

– слабая интенсивность (бег трусцой)

Требуемый уровень восстановления АТФ из АДФ относительно низок, и достигается окислением жиров, глюкозы и гликогена. Когда запасы гликогена исчерпаны, возрастает роль жиров как источника энергии. Поскольку жирные кислоты окисляются довольно медленно, чтобы восполнять расходуемую энергию, возможность долго продолжать подобную тренировку зависит от количества гликогена в организме.

– средняя интенсивность (быстрый бег)

Когда физическая активность достигает максимального для продолжения процессов аэробного окисления уровня, возникает потребность быстрого восстановления запасов АТФ. Углеводы становятся основным топливом для организма. Однако только окислением углеводов требуемый уровень АТФ поддерживаться не может, поэтому параллельно происходит окисление жиров и образование лактата.

– максимальная интенсивность (спринт)

Синтез АТФ поддерживается, в основном, использованием креатин фосфата и образование лактата, поскольку метаболизм окисления углеводов и жиров не может поддерживаться с такой большой скоростью.

Тип источника энергии зависит от продолжительности тренировки. Сначала происходит выброс энергии за счет использования креатин фосфата. Затем организм переходит на преимущественное использование гликогена, что обеспечивает энергией приблизительно на 50-60% синтез АТФ.

Остальную часть энергии на синтез АТФ организм получает за счет окисления свободных жирных кислот и глюкозы. Когда запасы гликогена истощаются, основным источником энергии становятся жиры, в то же время из углеводов начинает больше использоваться глюкоза.

В тех видах спорта, где периоды относительно низких нагрузок сменяются резкими повышениями активности (футбол, хоккей, баскетбол), происходит чередование использования креатин фосфата (во время пиков нагрузки) и гликогена как основных источников энергии для синтеза АТФ. В течение «спокойной» фазы в организме восстанавливаются запасы креатин фосфата.

Чем тренированнее человек, тем выше способность организма к окислительному метаболизму (меньше гликогена превращается в лактозу) и тем экономичнее расходуются запасы энергии. То есть, тренированный человек выполняет какое-либо упражнение с меньшим расходом энергии, чем нетренированный.

Чем выше уровень гликогена в организме перед началом тренировки, тем позднее настанет утомление. Чтобы повысить запасы гликогена, необходимо увеличить потребление пищи, богатой углеводами. Специалисты в области спортивного питания рекомендуют придерживаться таких диет, в которых до 70% энергетической ценности составляли бы углеводы.

Рекомендуемая спортсменам пища, богатая углеводами:

– рис – паста (макаронные изделия) – хлеб – зерновые злаки

– корнеплоды

Наши рекомендации Следующие рекомендации помогут Вам оптимизировать диету и улучшить самочувствие:

– введите в свой план питания больше углеводов, чтобы поддерживать энергетические запасы организма; – за 1-4 часа до тренировки съедайте 75-100 г углеводов; – непосредственно перед тренировкой выпейте 200-500 мл специализированного спортивного напитка (изотоника) для увеличения запасов жидкости и углеводов; – если возможно, пейте по 100-150 мл изотоника каждые 15-20 минут во время тренировки, чтобы компенсировать расход жидкости и углеводов; – в течение первого получаса тренировки, когда способность мышц к восстановлению максимальна, съешьте 50-100 углеводов;

– после тренировки необходимо продолжать потребление углеводов для скорейшего восстановления запасов гликогена.

Не забудьте поставить лайк и поделиться статьей с друзьями.

источник

Пластический и энергетический обмены. С момента возникновения живой организм устанавливает об­менные взаимоотношения с внешней средой. В него непрерывно поступают питательные вещества и выделяются продукты обмена веществ. Таким образом, тело человека представляет собой открытую систему, в которой происходит непрерывное движение веществ из внешней среды в организм и из организма во внешнюю среду.

Под обменом веществ понимают сложную цепь химических и физиче­ских превращений веществ в орга­низме с момента их поступления из внешней среды и кончая удалением продуктов распада. Энергетическое «топливо», необходимое для жизне­деятельности, животные и человек получают вместе с пищей и кислоро­дом воздуха. Энергия извлекается главным образом из углеводов, жи­ров и белков. Из пищеварительного тракта эти вещества попадают в кровь и лимфу в виде аминокислот, глюкозы, жирных кислот. Далее эти вещества поступают в ткани и клетки организма человека. Часть веществ используется для построения специ­фических для данного организма молекул белков, жиров и углеводов, для обменных процессов в тканях и органах, из другой части посту­пивших в организм веществ в резуль­тате распада крупных химических молекул на более мелкие и простые выделяется энергия. Эта энергия расходуется на реакции биологиче­ского синтеза, клеточного деления, мышечного сокращения и т. д. Одно­временно в организме человека из мелких молекул синтезируются более крупные специфические для данной клетки структуры.

Таким образом, обмен веществ представляет собой совокупность двух противоположных типов ре­акций: анаболических и катаболических. Анаболические реакции – это реакции синтеза новых молекул. Протекают они с поглощением энер­гии, обеспечивая постоянство хими­ческого состава клеток и тканей организма. Совокупность этих ре­акций носит название пластического обмена.

Катаболические реакции – это реакции распада крупных молекул на более мелкие, простые. При расщеп­лении высокомолекулярных соедине­ний выделяется энергия. Поэтому совокупность реакций, обеспечиваю­щих организм энергией, называют энергетическим обменом.

Оба вида обмена неразрывно связаны и представляют собой не­отделимые друг от друга процессы. Реакции пластического и энергетиче­ского обмена происходят при обяза­тельном участии ферментов и регули­руются нервной и эндокринной систе­мами.

Для сохранения массы тела, роста и возмещения энергозатрат орга­низму необходимы органические ве­щества (белки, углеводы, жиры, витамины) и неорганические веще­ства (минеральные соли, вода и кис­лород) . Их количество должно со­ответствовать состоянию организма и условиям его существования. За период, равный средней продолжи­тельности жизни человека, им по­требляется примерно 1,3 т жиров, 2,5 т белков, 12,5 т углеводов и 75 т воды. Организм постоянно очищается от конечных продуктов обмена, образующихся при расщеп­лении веществ, что достигается рабо­той органов выделения.

Читайте также:  Код мкб 10 прорезывание зубов

Обмен белков. Белки занимают важнейшее место среди органических элементов клетки. На их долю прихо­дится более 50% сухой массы клетки. В живом организме постоянно про­исходит синтез и распад белков. Синтез белков осуществляется при участии аминокислот, постоянным источником которых являются белки пищи.

В пищеварительном тракте белки распадаются до аминокислот. Амино­кислоты всасываются в кровь. Прой­дя через сосуды и клетки печени, они доставляются в клетки тканей орга­нов, где вновь синтезируются белки, но уже специфичные для данной клетки, для данного органа. Так, в мышечных клетках и волокнах синтезируются белки актин и мио­зин, а в клетках молочной железы – казеин и т. д. Из 20 входящих в состав белков аминокислот 10 син­тезируются в организме, а 10 не синтезируются (незаменимые амино­кислоты) . Без незаменимых амино­кислот нарушается синтез белков, останавливается рост, уменьшается масса тела. Жизнь и нормальное состояние организма невозможны при отсутствии в пище хотя бы одной из незаменимых аминокислот.

Для человека важно поступление с пищей полноценных белков. Только из них в организме могут синтезиро­ваться свои специфические белки. Особенно большое значение полно­ценные белки имеют для растущего организма, так как в нем в боль­шом количестве создаются новые клетки.

Важна не только биологическая ценность поступающих с пищей бел­ков, но и их количество. При недоста­точном количестве белков нормаль­ный рост организма приостанавлива­ется или задерживается. К полно­ценным белкам относят преимуще­ственно белки животного происхож­дения. Особенно большую ценность для организма представляют белки мяса, рыбы, яиц, молока и других продуктов питания. Неполноценные белки преимущественно растительно­го происхождения. Пища человека должна содержать такое количество белков, чтобы полностью удовлетво­рять все потребности организма. Количество белка, необходимое орга­низму, различно для людей разного возраста, пола и профессий. Су­точная потребность в белках у детей от 4 до 7 лет – около 70 г, после 7 лет – 80 г, у взрослых людей – 118 г. Если человек занимается тя­желым физическим трудом, то нор­ма белка в пище должна быть увели­чена до 130 – 140 г в сутки. Белки в организме не откладываются в запас.

Если в организм поступает боль­ше белков, чем требуется, излишек подвергается распаду. При уменьше­нии количества белков в потребляе­мой пище распад их уменьшается. Таким образом организм поддержи­вает свое химическое равновесие. При недостатке белковых веществ в пище (например, при голодании) организм расходует белок собствен­ных тканей.

Обмен углеводов. Углеводы также играют важную роль в организме. Они – основной источник энергии. Углеводы поступают в организм человека главным образом в виде полисахаридов, дисахаридов, крах­мала. Особенно богата углеводами растительная пища: хлеб, крупы, ово­щи, фрукты. Расщепляясь под дей­ствием растительных ферментов до простых Сахаров и глюкозы, углеводы всасываются в кровь. Уровень глюкозы в крови в норме 4,6 – 6,7 ммоль1л. Особенно чувствительны к пониже­нию уровня сахара в крови нервные клетки.

Глюкоза, поступившая в кровь из кишечника, транспортируется в пе­чень, где из нее синтезируется глико­ген – резервный запас углеводов. Количество гликогена в клетках пече­ни у взрослого человека может достигать 150 – 200 г. Гликоген от­кладывается также и в мышцах. При недостатке углеводов в пище глико­ген расщепляется и глюкоза по мере надобности поступает в клетки тка­ней, где она используется как источ­ник энергии. В клетках осуществля­ется дальнейшее превращение угле­водов. Конечные продукты распада углеводов – вода и углекислый газ. При употреблении с пищей большого количества обычного сахара (до 150 – 200 г) содержание глюкозы в крови резко возрастает. Это явле­ние называют пищевой (алиментарной) гипергликемией. В этом случае избыток сахара выводится из орга­низма с мочой. Повышенную кон­центрацию сахара в моче называют глюкозурией. Значительное пониже­ние уровня глюкозы в крови – гипогликемия может вызвать нер­вные расстройства (потерю сознания, судороги) и даже привести к смерти. Суточная потребность в различных углеводах у ребенка 4 – 7 лет равна 287 г, у подростков 14 – 17 лет – 470 г, у взрослого – 500 г.

Обмен жиров. Жиры, как и угле­воды, являются энергетическим мате­риалом и используются как источник энергии. Известно, что при расщепле­нии 1 г жира образуется в два с лишним раза больше энергии, чем при окислении такого же количества белков или углеводов. Поступивший с пищей жир в пищеварительном тракте расщепляется до глицерина и жирных кислот. Попав в кишечные ворсинки, глицерин и жирные кисло­ты вновь соединяются друг с другом. образуя новые, свойственные данно­му организму жиры. Большая часть вновь образовавшихся жиров посту­пает в лимфу, меньшая – непосред­ственно в кровь и разносится ко всем органам и тканям. Много жиров поступает непосредственно в жиро­вую ткань, которая имеет значение жирового депо для организма. Жиры содержатся в подкожной клетчатке. вокруг некоторых внутренних орга­нов (например, почек). Они входят в состав клеток (цитоплазмы, ядра, клеточных мембран). С жирами в ор­ганизм поступают растворимые в них витамины (A, D, Е и др.), имеющие для человека жизненно важное зна­чение. Суточная потребность в жирах для взрослого человека 100 г, для детей 8 – 13 лет – 38 г.

Обмен воды и минеральных ве­ществ. Значение воды в организме очень велико (см. с. 146). За сутки в организм поступает в виде жидко­стей и с пищей 1,5 – 2 л воды. Выделение воды происходит через почки, кожу, легкие и кишечник. Через почки выделяется 1,2 – 1,5л во­ды, через легкие вместе с газами 250 – 350 мл, через кишечник 50 – 200 мл, через кожу – до 1 л.

Организм не может длительно существовать и без минеральных веществ. Они необходимы для осуще­ствления обмена веществ, для по­строения костей, входят в состав гемоглобина и участвуют в переносе кислорода кровью. Минеральные ве­щества имеют большое значение в поддержании постоянства внутрен­ней среды. Потребность организма в различных элементах неодинакова (см. с. 145).

Образование и расход энергии в организме человека. Для различ­ных процессов жизнедеятельности организма (синтеза веществ, мышечной работы, поддержания темпе­ратуры тела) необходима энергия – около 10 500 кДж в сутки. Это значит, что при оптимальном (спокойном) состоянии в организме человека дол­жно расщепляться столько белков, жиров и углеводов, сколько необхо­димо для освобождения 10 500 кДж энергии. Источник энергии заключен в химических связях молекул органи­ческих веществ (белков, жиров и уг­леводов), получаемых с пищей. Пре­вращение этих веществ из сложных в простые и приводит к высвобожде­нию энергии. Основным аккумулято­ром энергии является аденозинтри-фосфорная кислота (АТФ). Химиче­ские реакции при обмене веществ обеспечивают синтез белков, деление клеток, мышечное сокращение. Часть образующегося при химических ре­акциях тепла используется для под­держания постоянства температуры тела, а его избыток организм отдает в окружающую среду. Таким обра­зом, обмен веществ и энергии, состав­ляя единое целое, подчиняется уни­версальному закону естествозна­ния – закону сохранения материи и энергии.

Энерготраты организма определя­ют по величине выделения теплоты. Единицей измерения тепла служит калория (кал). Ее определяют как количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 г воды на 1 °С (1 ккал – 4,2 кДж). Поэтому энергообмен организма выражается в джоулях или калориях. Данные о потребностях в энергии у работни­ков различных видов труда приведе­ны в таблице 9.

Таблица 9 Суточная потребность энергии для лиц разных категорий труда

источник

ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. РАЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ.

Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Источники энергии в организме.

Основные понятия и определения физиологии обмена веществ и энергии.

Методы изучения энергетического обмена у человека.

Понятие о рациональном питании. Правила составления пищевых рационов.

Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Источники энергии в организме.

Организм человека представляет собой открытую термодина-мическую систему, которая характеризуется наличием обмена веществ и энергии.

Обмен веществ и энергии – это совокупность физических, биохимических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в организме человека и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Указанные процессы, протекающие в организме человека изучают многие науки: биофизика, биохимия, молекулярная биология, эндокринология и , конечно же, физиология.

Обмен веществ и обмен энергии тесно взаимосвязаны между собой, однако, с целью упрощения понятий, их рассматривают раздельно.

Обмен веществ (метаболизм) – совокупность химических и физических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.

В обмене веществ различают две направленности процессов по отношению к структурам организма: ассимиляцию или анаболизм и диссимиляцию или катаболизм.

Ассимиляция(анаболизм) – совокупность процессов создания жи-вой материи. Указанные процессы потребляют энергию.

Диссимиляция(катаболизм) – совокупность процессов распада жи-вой материи. В результате диссимиляции энергия воспроизводится.

Жизнь животных и человека представляет из себя единство процес-сов ассимиляции и диссимиляции. Факторами, сопрягающими данные процессы, являются две системы:

АТФ – АДФ (АТФ — аденозин три фосфат, АДФ – аденозин ди фосфат;

НАДФ (окисленный) – НАДФ (восстановленный), где НАДФ – никотин амид ди фосфат.

Посредничество указанных соединений между процессами ассимиляции и диссимиляции обеспечивается тем, что молекулы АТФ и НАДФ выступают в роли универсальных биологических аккумуляторов энергии, ее переносчика, своеобразной «энергетической валютой» организма. Вместе с тем, прежде чем энергия аккумулируется в молекулах АТФ и НАДФ, ее необходимо извлечь из питательных веществ, которые поступают с пищей в организм. Такими пищевыми веществами являются известные вам белки, жиры и углеводы. К этому же следует добавить, что питательные вещества выполняют не только функцию поставщиков энергии, но и функцию поставщиков строительного материала (пластическая функция) для клеток, тканей и органов. Роль различных питательных веществ в реализации пластических и энергетических потребностей организма неодинакова. Углеводы в первую очередь выполняют энергетическую функцию, пластическая функция углеводов незначительна. Жиры в равной степени выполняют и энергетические и пластические функции. Белки являются основным строительным материалом для организма, но при определенных условиях могут являться и источниками энергии.

Источники энергии в организме.

Как уже отмечалось выше, основными источниками энергии в организме являются пищевые вещества: углеводы, жиры и белки. Освобождение энергии, содержащейся в пищевых веществах, в организме человека протекает в три этапа:

1 этап. Белки расщепляются до аминокислот, углеводы — до гексоз, например, до глюкозы или фруктозы, жиры – до глицерина и жирных кислот. На данном этапе организм в основном тратит энергию на расщепление веществ.

2 этап. Аминокислоты, гексозы и жирные кислоты в ходе биохимических реакций превращаются в молочную и пировиноградную кислоты, а также в Ацетил коэнзим А. На данном этапе из пищевых веществ высвобождается до 30% потенциальной энергии.

3 этап. При полном окислении все вещества расщепляются до СО2 и Н2О. На данном этапе, в метаболическом котле Кребса, высвобождается оставшаяся часть энергии, около 70%. При этом не вся высвобождающаяся энергия аккумулируется в химическую энергию АТФ. Часть энергии распыляется в окружающую среду. Эта теплота получила название первичной теплоты (Q1). Энергия аккумулированная АТФ в дальнейшем расходуется на различные виды работы в организме: механическую, электрическую, химическую и активный транспорт. При этом часть энергии теряется в виде так называемой вторичной теплоты Q2. Смотри схему 1.

источник

В живых организмах любой процесс сопровождается передачей энергии. Энергию определяют как способность совершать работу. Специальный раздел физики, который изучает свойства и превращения энергии в различных системах, называется термодинамикой. Под термодинамической системой понимают совокупность объектов, условно выделенных из окружающего пространства.

Термодинамические системы разделяют на изолированные, закрытые и открытые. Изолированными называют системы, энергия и масса которых не изменяется, т.е. они не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Закрытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, но не веществом, поэтому их масса остается постоянной.

Открытыми системами называют системы, обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией. С точки зрения термодинамики живые организмы относятся к открытым системам, так как главное условие их существования — непрерывный обмен веществ и энергии. В основе процессов жизнедеятельности лежат реакции атомов и молекул, протекающие в соответствии с теми же фундаментальными законами, которые управляют такими же реакциями вне организма. Согласно первому закону термодинамики энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишь переходит из одной формы в другую.

Читайте также:  Анастрозол тева инструкция по применению

Второй закон термодинамики утверждает, что вся энергия, в конце концов, переходит в тепловую энергию, и организация материи становится полностью неупорядоченной. В более строгой форме этот закон формулируется так: энтропия замкнутой системы может только возрастать, а количество полезной энергии (т.е. той, с помощью которой может быть совершена работа) внутри системы может лишь убывать. Под энтропией понимают степень неупорядоченности системы.

Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии объединены общим названием — метаболизм (обмен веществ). На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности реакций, называемые путями метаболизма, и могут включать тысячи разнообразных реакций. Эти реакции протекают не хаотически, а в строго определенной последовательности и регулируются множеством генетических и химических механизмов. Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).

Анаболизм — это совокупность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей). Он обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также накопление энергии (синтез макроэргов). Анаболизм заключается в химической модификации и перестройке поступающих с пищей молекул в другие более сложные биологические молекулы. Например, включение аминокислот в синтезируемые клеткой белки в соответствии с инструкцией, содержащейся в генетическом материале данной клетки.

Катаболизм — это совокупность процессов расщепления сложных молекул до более простых веществ с использованием части из них в качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до конечных продуктов метаболизма с образованием энергии. К конечным продуктам метаболизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в день), двуокись углерода (около 230 мл/мин), окись углерода (0,007 мл/мин), мочевина (около 30 г/день), а также другие вещества, содержащие азот (примерно б г/день).

Катаболизм обеспечивает извлечение химической 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.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет 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.

Почему домашний лимонад нужно пить круглый год?

источник

Обмен веществ и энергии, или метаболизм,— совокупность химических и физических превращений веществ и энергии, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность. Обмен веществ и энергии составляет единое целое и подчиняется закону сохранения материи и энергии.

Обмен веществ складывается из процессов ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция (анаболизм) — процесс усвоения организмом веществ, при котором расходуется энергия. Диссимиляция (катаболизм) — процесс распада сложных органических соединений, протекающий с высвобождением энергии.

Единственным источником энергии для организма человека является окисление органических веществ, поступающих с пищей. При расщеплении пищевых продуктов до конечных элементов — углекислого газа и воды,— выделяется энергия, часть которой переходит в механическую работу, выполняемую мышцами, другая часть используется для синтеза более сложных соединений или накапливается в специальных макроэргических соединениях.

Макроэргическими соединениями называют вещества, расщепление которых сопровождается выделением большого количества энергии. В организме человека роль макроэргических соединений выполняют аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и креатинфосфат (КФ).

Белками (протеинами) называют высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот. Функции:

Структурная, или пластическая, функция состоит в том, что белки являются главной составной частью всех клеток и межклеточных структур. Каталитическая, или ферментная, функция белков заключается в их способности ускорять биохимические реакции в организме.

Защитная функция белков проявляется в образовании иммунных тел (антител) при поступлении в организм чужеродного белка (например, бактерий). Кроме того, белки связывают токсины и яды, попадающие в организм, и обеспечивают свертывание крови и остановку кровотечения при ранениях.

Транспортная функция заключается в переносе многих веществ. Важнейшей функцией белков является передача наследственных свойств, в которой ведущую роль играют нуклеопротеиды. Различают два основных типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

Регуляторная функция белков направлена на поддержание биологических констант в организме.

Энергетическая роль белков состоит в обеспечении энергией всех жизненных процессов в организме животных и человека. При окислении 1 г белка в среднем освобождается энергия, равная 16,7 кДж (4,0 ккал).

Потребность в белках. В организме постоянно происходит распад и синтез белков. Единственным источником синтеза нового белка являются белки пищи. В пищеварительном тракте белки расщепляются ферментами до аминокислот и в тонком кишечнике происходит их всасывание. Из аминокислот и простейших пептидов клетки синтезируют собственный белок, который характерен только для данного организма. Белки не могут быть заменены другими пищевыми веществами, так как их синтез в организме возможен только из аминокислот. Вместе с тем белок может замещать собой жиры и углеводы, т. е. использоваться для синтеза этих соединений.

Биологическая ценность белков. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека и должны обязательно поступать с пищей в готовом виде. Эти аминокислоты принято называть незаменимыми, или жизненно-необходимыми. К ним относятся: валин, метионин, треонин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан и лизин, а у детей еще аргинин и гистидин. Недостаток незаменимых кислот в пище приводит к нарушениям белкового обмена в организме. Заменимые аминокислоты в основном синтезируются в организме.

Белки, содержащие весь необходимый набор аминокислот, называют биологически полноценными. Наиболее высока биологическая ценность белков молока, яиц, рыбы, мяса. Биологически неполноценными называют белки, в составе которых отсутствует хотя бы одна аминокислота, которая не может быть синтезирована в организме. Неполноценными белками являются белки кукурузы, пшеницы, ячменя.

Азотистый баланс. Азотистым балансом называют разность между количеством азота, содержащегося в пище человека, и его уровнем в выделениях.

Азотистое равновесие — состояние, при котором количество выведенного азота равно количеству поступившего в организм. Азотистое равновесие наблюдается у здорового взрослого человека.

Положительный азотистый баланс — состояние, при котором количество азота в выделениях организма значительно меньше, чем содержание его в пище, то есть наблюдается задержка азота в организме. Положительный азотистый баланс отмечается у детей в связи с усиленным ростом, у женщин во время беременности, при усиленной спортивной тренировке, приводящей к увеличению мышечной ткани, при заживлении массивных ран или выздоровлении после тяжелых заболеваний.

Азотистый дефицит (отрицательный азотистый баланс) отмечается тогда, когда количество выделяющегося азота больше содержания его в пище, поступающей в организм. Отрицательный азотистый баланс наблюдается при белковом голодании, лихорадочных состояниях, нарушениях нейроэндокринной регуляции белкового обмена.

Распад белка и синтез мочевины. Важнейшими азотистыми продуктами распада белков, которые выделяются с мочой и потом, являются мочевина, мочевая кислота и аммиак.

Жиры делят на простые липиды (нейтральные жиры, воски), сложные липиды (фосфолипиды, гликолипиды, сульфолипиды) и стероиды (холестерин и др.). Основная масса липидов представлена в организме человека нейтральными жирами. Нейтральные жиры пищи человека являются важным источником энергии. При окислении 1 г жира выделяется 37,7 кДж (9,0 ккал) энергии.

Суточная потребность взрослого человека в нейтральном жире составляет 70—80 г, детей 3—10 лет — 26—30 г.

Нейтральные жиры в энергетическом отношении могут быть заменены углеводами. Однако есть ненасыщенные жирные кислоты — линолевая, линоленовая и арахидоновая, которые должны обязательно содержаться в пищевом рационе человека, их называют не заменимыми жирными кислотами.

Нейтральные жиры, входящие в состав пищи и тканей человека, представлены главным образом триглицеридами, содержащими жирные кислоты — пальмитиновую, стеариновую, олеиновую, линолевую и линоленовую.

В обмене жиров важная роль принадлежит печени. Печень — основной орган, в котором происходит образование кетоновых тел (бета-оксимасляная, ацетоуксусная кислоты, ацетон). Кетоновые тела используются как источник энергии.

Фосфо- и гликолипиды входят в состав всех клеток, но главным образом в состав нервных клеток. Печень является практически единственным органом, поддерживающим уровень фосфолипидов в крови. Холестерин и другие стероиды могут поступать с пищей или синтезироваться в организме. Основным местом синтеза холестерина является печень.

В жировой ткани нейтральный жир депонируется виде триглицеридов.

Образование жиров из углеводов. Избыточное употребление углеводов с пищей приводит к отложению жира в организме. В норме у человека 25—30% углеводов пищи превращается в жиры.

Образование жиров из белков. Белки являются пластическим материалом. Только при чрезвычайных обстоятельствах белки используются для энергетических целей. Превращение белка в жирные кислоты происходит, вероятнее всего, через образование углеводов.

Биологическая роль углеводов для организма человека определяется прежде всего их энергетической функцией. Энергетическая ценность 1 г углеводов составляет 16,7 кДж (4,0 ккал). Углеводы являются непосредственным источником энергии для всех клеток организма, выполняют пластическую и опорную функции.

Суточная потребность взрослого человека в углеводах составляет около 0,5 кг. Основная часть их (около 70%) окисляется в тканях до воды и углекислого газа. Около 25—28% пищевой глюкозы превращается в жир и только 2—5% ее синтезируется в гликоген — резервный углевод организма.

Единственной формой углеводов, которая может всасываться, являются моносахара. Они всасываются главным образом в тонком кишечнике, током крови переносятся в печень и к тканям. В печени из глюкозы синтезируется гликоген. Этот процесс носит название гликогенеза. Гликоген может распадаться до глюкозы. Это явление называют гликогенолизом. В печени возможно новообразование углеводов из продуктов их распада (пировиноградной или молочной кислоты), а также из продуктов распада жиров и белков (кетокислот), что обозначается как гликонеогенез. Гликогенез, гликогенолиз и гликонеогенез — тесно взаимосвязанные и протекающие в печени процессы, обеспечивающие оптимальный уровень сахара крови.

В мышцах, так же как и в печени, синтезируется гликоген. Распад гликогена является одним из источников энергии мышечного сокращения. При распаде мышечного гликогена процесс идет до образования пировиноградной и молочной кислот. Этот процесс называют гликолизом. В фазе отдыха из молочной кислоты в мышечной ткани происходит ре-синтез гликогена.

Головной мозг содержит небольшие запасы углеводов и нуждается в постоянном поступлении глюкозы. Глюкоза в тканях мозга преимущественно окисляется, а небольшая часть ее превращается в молочную кислоту. Энергетические расходы мозга покрываются исключительно за счет углеводов. Снижение поступления в мозг глюкозы сопровождается изменением обменных процессов в нервной ткани и нарушением функций мозга.

Образование углеводов из белков и жиров (гликонеогенез). В результате превращения аминокислот образуется пировиноградная кислота, при окислении жирных кислот — ацетилкоэнзим А, который может превращаться в пировиноградную кислоту — предшественник глюкозы. Это наиболее важный общий путь биосинтеза углеводов.

Между двумя основными источниками энергии — углеводами и жирами — существует тесная физиологическая взаимосвязь. Повышение содержания глюкозы в крови увеличивает биосинтез триглицеридов и уменьшает распад жиров в жировой ткани. В кровь меньше поступает свободных жирных кислот. Если возникает гипогликемия, то процесс синтеза триглицеридов тормозится, ускоряется распад жиров и в кровь в большом количестве поступают свободные жирные кислоты.

Все химические и физико-химические процессы, протекающие в организме, осуществляются в водной среде. Вода выполняет в организме следующие важнейшие функции: 1) служит растворителем продуктов питания и обмена; 2) переносит растворенные в ней вещества; 3) ослабляет трение между соприкасающимися поверхностями в теле человека; 4) участвует в регуляции температуры тела за счет большой теплопроводности, большой теплоты испарения.

Общее содержание воды в организме взрослого человека составляет 50 —60% от его массы, то есть достигает 40—45 л.

Принято делить воду на внутриклеточную, интрацеллюлярную (72%) и внеклеточную, экстрацеллюлярную (28%). Внеклеточная вода размещена внутри сосудистого русла (в составе крови, лимфы, цереброспинальной жидкости) и в межклеточном пространстве.

Вода поступает в организм через пищеварительный тракт в виде жидкости или воды, содержащейся в плотных пищевых продуктах. Некоторая часть воды образуется в самом организме в процессе обмена веществ.

При избытке в организме воды наблюдается общая гипергидратация (водное отравление), при недостатке воды нарушается метаболизм. Потеря 10% воды приводит к состоянию дегидратации (обезвоживание), при потере 20% воды наступает смерть.

Вместе с водой в организм поступают и минеральные вещества (соли). Около 4% сухой массы пищи должны составлять минеральные соединения.

Читайте также:  Вечерняя валерьянка инструкция по применению

Важной функцией электролитов является участие их в ферментативных реакциях.

Натрий обеспечивает постоянство осмотического давления внеклеточной жидкости, участвует в создании биоэлектрического мембранного потенциала, в регуляции кислотно-основного состояния.

Калий обеспечивает осмотическое давление внутриклеточной жидкости, стимулирует образование ацетилхолина. Недостаток ионов калия тормозит анаболические процессы в организме.

Хлор является также важнейшим анионом внеклеточной жидкости, обеспечивая постоянство осмотического давления.

Кальций и фосфор находятся в основном в костной ткани (свыше 90%). Содержание кальция в плазме и крови является одной из биологических констант, так как даже незначительные сдвиги в уровне этого иона могут приводить к тяжелейшим последствиям для организма. Снижение уровня кальция в крови вызывает непроизвольные сокращения мышц, судороги, и вследствие остановки дыхания наступает смерть. Повышение содержания кальция в крови сопровождается уменьшением возбудимости нервной и мышечной тканей, появлением парезов, параличей, образованием почечных камней. Кальций необходим для построения костей, поэтому он должен поступать в достаточном количестве в организм с пищей.

Фосфор участвует в обмене многих веществ, так как входит в состав макроэргических соединений (например, АТФ). Большое значение имеет отложение фосфора в костях.

Железо входит в состав гемоглобина, миоглобина, ответственных за тканевое дыхание, а также в состав ферментов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. Недостаточное поступление в организм железа нарушает синтез гемоглобина. Уменьшение синтеза гемоглобина ведет к анемии (малокровию). Суточная потребность в железе взрослого человека составляет 10—30 мкг.

Йод в организме содержится в небольшом количестве. Однако его значение велико. Это связано с тем, что йод входит в состав гормонов щитовидной железы, оказывающих выраженное влияние на все обменные процессы, рост и развитие организма.

Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, накапливается в форме АТФ, количество которой в тканях организма поддерживается на высоком уровне. АТФ содержится в каждой клетке организма. Наибольшее количество ее обнаруживается в скелетных мышцах — 0,2—0,5%. Любая деятельность клетки всегда точно совпадает по времени с распадом АТФ.

Разрушившиеся молекулы АТФ должны восстановиться. Это происходит за счет энергии, которая освобождается при распаде углеводов и других веществ.

О количестве затраченной организмом энергии можно судить по количеству тепла, которое он отдает во внешнюю среду.

Прямая калориметрия основана на непосредственном определении тепла, высвобождающегося в процессе жизнедеятельности организма. Человека помещают в специальную калориметрическую камеру, в которой учитывают все количество тепла, отдаваемого телом человека. Тепло, выделяемое организмом, поглощается водой, протекающей по системе труб, проложенных между стенками камеры. Метод очень громоздок, применение его возможно в специальных научных учреждениях. Вследствие этого в практической медицине широко используют метод непрямой калориметрии. Сущность этого метода заключается в том, что сначала определяют объем легочной вентиляции, а затем — количество поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа. Отношение объема выделенного углекислого газа к объему поглощенного кислорода носит название дыхательного коэффициента. По величине дыхательного коэффициента можно судить о характере окисляемых веществ в организме.

При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1 так как для полного окисления 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды потребуется 6 молекул кислорода, при этом выделяется 6 молекул углекислого газа:

Дыхательный коэффициент при окислении белка равен 0,8, при окислении жиров — 0,7.

Определение расхода энергии по газообмену. Количество тепла, высвобождающегося в организме при потреблении 1 л кислорода — калорический эквивалент кислорода — зависит от того, на окислении каких веществ используется кислород. Калорический эквивалент кислорода при окислении углеводов равен 21,13 кДж (5,05 ккал), белков — 20,1 кДж (4,8 ккал), жиров — 19,62 кДж (4,686 ккал).

Расход энергии у человека определяют следующим образом. Человек дышит в течение 5 мин, через мундштук (загубник), взятый в рот. Мундштук, соединенный с мешком из прорезиненной ткани, имеет клапаны. Они устроены так, что человек свободно вдыхает атмосферный воздух, а выдыхает воздух в мешок. С помощью газовых часов измеряют объем выдохнутого воздуха. По показателям газоанализатора определяют процентное содержание кислорода и углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом человеком воздухе. Затем рассчитывают количество поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, а также дыхательный коэффициент. С помощью соответствующей таблицы по величине дыхательного коэффициента устанавливают калорический эквивалент кислорода и определяют расход энергии.

Основной обмен — минимальное количество энергии, необходимое для поддержания нормальной жизнедеятельности организма в состоянии полного покоя при исключении всех внутренних и внешних влияний, которые могли бы повысить уровень обменных процессов. Основной обмен веществ определяют утром натощак (через 12—14 ч после последнего приема пищи), в положении лежа на спине, при полном расслаблении мышц, в условиях температурного комфорта (18—20° С). Выражается основной обмен количеством энергии, выделенной организмом (кДж/сут).

В состоянии полного физического и психического покоя организм расходует энергию на: 1) постоянно совершающиеся химические процессы; 2) механическую работу, выполняемую отдельными органами (сердце, дыхательные мышцы, кровеносные сосуды, кишечник и др.); 3) постоянную деятельность железисто-секреторного аппарата.

Основной обмен веществ зависит от возраста, роста, массы тела, пола. Самый интенсивный основной обмен веществ в расчете на 1 кг массы тела отмечается у детей. С увеличением массы тела усиливается основной обмен веществ. Средняя величина основного обмена веществ у здорового человека равна приблизительно 4,2 кДж (1 ккал) в 1 ч на 1 кг массы тела.

По расходу энергии в состоянии покоя ткани организма неоднородны. Более активно расходуют энергию внутренние органы, менее активно — мышечная ткань.

Интенсивность основного обмена веществ в жировой ткани в 3 раза ниже, чем в остальной клеточной массе организма. Худые люди производят больше тепла на 1 кг массы тела, чем полные.

У женщин основной обмен веществ ниже, чем у мужчин. Это связано с тем, что у женщин меньше масса и поверхность тела. Согласно правилу Рубнера основной обмен веществ приблизительно пропорционален поверхности тела.

Отмечены сезонные колебания величины основного обмена веществ – повышение его весной и снижение зимой. Мышечная деятельность вызывает повышение обмена веществ пропорционально тяжести выполняемой работы.

К значительным изменениям основного обмена приводят нарушения функций органов и систем организма. При повышенной функции щитовидной железы, малярии, брюшном тифе, туберкулезе, сопровождающихся лихорадкой, основной обмен веществ усиливается.

При мышечной работе значительно увеличиваются энергетические затраты организма. Это увеличение энергетических затрат составляет рабочую прибавку, которая тем больше, чем интенсивнее работа.

По сравнению со сном при медленной ходьбе расход энергии увеличивается в 3 раза, а при беге на короткие дистанции во время соревнований — более чем в 40 раз.

При кратковременных нагрузках энергия расходуется за счет окисления углеводов. При длительных мышечных нагрузках в организме расщепляются преимущественно жиры (80% всей необходимой энергии). У тренированных спортсменов энергия мышечных сокращений обеспечивается исключительно за счет окисления жиров. У человека, занимающегося физическим трудом, энергетические затраты возрастают пропорционально интенсивности труда.

Восполнение энергетических затрат организма происходит за счет питательных веществ. В пище должны содержаться белки, углеводы, жиры, минеральные соли и витамины в небольших количествах и правильном соотношении. Усвояемость пищевых веществ зависит от индивидуальных особенностей и состояния организма, от количества и качества пищи, соотношения различных составных частей ее, способа приготовления. Растительные продукты усваиваются хуже, чем продукты животного происхождения, потому что в растительных продуктах содержится большее количество клетчатки.

Белковый режим питания способствует осуществлению процессов всасывания и усвояемости пищевых веществ. При преобладании в пище углеводов усвоение белков и жиров снижается. Замена растительных продуктов продуктами животного происхождения усиливает обменные процессы в организме. Если вместо растительных давать белки мясных или молочных продуктов, а вместо ржаного хлеба — пшеничный, то усвояемость продуктов питания значительно повышается.

Таким образом, чтобы обеспечить правильное питание человека, необходимо учитывать степень усвоения продуктов организмом. Кроме того, пища должна обязательно содержать все незаменимые (обязательные) питательные вещества: белки и незаменимые аминокислоты, витамины, высоконепредельные жирные кислоты, минеральные вещества и воду.

Основную массу пищи (75-80%) составляют углеводы и жиры.

Пищевой рацион – количество и состав продуктов питания, необходимых человеку в сутки. Он должен восполнять суточные энергетические затраты организма и включать в достаточном количестве все питательные вещества.

Для составления пищевых рационов необходимо знать содержание белков, жиров и углеводов в продуктах и их энергетическую ценность. Имея эти данные, можно составить научно обоснованных пищевой рацион для людей разного возраста, пола и рода занятий.

Режим питания и его физиологическое значение. Необходимо соблюдать определенный режим питания, правильно его организовать: постоянные часы приема пищи, соответствующие интервалы между ними, распределение суточного рациона в течение дня. Принимать пищу следует всегда в определенное время не реже 3 раз в сутки: завтрак, обед и ужин. Завтрак по энергетической ценности должен составлять около 30% от общего рациона, обед — 40—50%, а ужин — 20—25%. Рекомендуется ужинать за 3 ч до сна.

Правильное питание обеспечивает нормальное физическое развитие и психическую деятельность, повышает работоспособность, реактивность и устойчивость организма к влиянию окружающей среды.

Согласно учению И. П. Павлова об условных рефлексах, организм человека приспосабливается к определенному времени приема пищи: появляется аппетит и начинают выделяться пищеварительные соки. Правильные промежутки между приемами пищи обеспечивают чувство сытости в течение этого времени.

Трехкратный прием пищи в общем физиологичен. Однако предпочтительнее четырехразовое питание, при котором повышается усвоение пищевых веществ, в частности белков, не ощущается чувство голода в промежутках между отдельными приемами пищи и сохраняется хороший аппетит. В этом случае энергетическая ценность завтрака составляет 20%, обед — 35%, полдник—15%, ужин — 25%.

Рациональное питание. Питание считается рациональным, если полностью удовлетворяется потребность в пище в количественном и качественном отношении, возмещаются все энергетические затраты. Оно содействует правильному росту и развитию организма, увеличивает его сопротивляемость вредным воздействиям внешней среды, способствует развитию функциональных возможностей организма и повышает интенсивность труда. Рациональное питание предусматривает разработку пищевых рационов и режимов питания применительно к различным контингентам населения и условиям жизни.

Как уже указывалось, питание здорового человека строится на основании суточных пищевых рационов. Рацион и режим питания больного называются диетой. Каждая диета имеет определенные составные части пищевого рациона и характеризуется следующими признаками: 1) энергетической ценностью; 2) химическим составом; 3) физическими свойствами (объем, температура, консистенция); 4)режимом питания.

Условнорефлекторные изменения обмена веществ и энергии наблюдаются у человека в предстартовых и предрабочих состояниях. У спортсменов до начала соревнования, а у рабочего перед работой отмечается повышение обмена веществ, температуры тела, увеличивается потребление кислорода и выделение углекислого газа. Можно вызвать условнорефлекторные изменения обмена веществ, энергетических и тепловых процессов у людей на словесный раздражитель.

Влияние нервной системы на обменные и энергетические процессы в организме осуществляется несколькими путями:

— Непосредственное влияние нервной системы (через гипоталамус, эфферентные нервы) на ткани и органы;

— опосредованное влияние нервной системы через гипофиз (соматотропин) ;

— опосредованное влияние нервной системы через тропные гормоны гипофиза и периферические железы внутренней секреции;

-прямое влияниенервной системы (гипоталамус) на активность желез внутренней секреции и через них на обменные процессы в тканях и органах.

Основным отделом центральной нервной системы, который регулирует все виды обменных и энергетических процессов, является гипоталамус. Выраженное влияние на обменные процессы и теплообразование оказывают железы внутренней секреции. Гормоны коры надпочечников и щитовидной железы в больших количествах усиливают катаболизм, т. е. распад белков.

В организме ярко проявляется тесное взаимосвязанное влияние нервной и эндокринной систем на обменные и энергетические процессы. Так, возбуждение симпатической нервной системы не только оказывает прямое стимулирующее влияние на обменные процессы, но при этом увеличивается секреция гормонов щитовидной железы и надпочечников (тироксин и адреналин). За счет этого дополнительно усиливается обмен веществ и энергии. Кроме того, эти гормоны сами повышают тонус симпатического отдела нервной системы. Значительные изменения в метаболизме и теплообмене происходят при дефиците в организме гормонов желез внутренней секреции. Например, недостаток тироксина приводит к снижению основного обмена. Это связано с уменьшением потребления кислорода тканями и ослаблением теплообразования. В результате снижается температура тела.

Гормоны желез внутренней секреции участвуют в регуляции обмена веществ и энергии, изменяя проницаемость клеточных мембран (инсулин), активируя ферментные системы организма (адреналин, глюкагон и др.) и влияя на их биосинтез (глюкокортикоиды) .

Таким образом, регуляция обмена веществ и энергии осуществляется нервной и эндокринной системами, которые обеспечивают приспособление организма к меняющимся условиям его обитания.

источник

Энергетический обмен или откуда берется энергия для организма?

За счет чего человек двигается? Что такое энергетический обмен? Откуда берется энергия для организма? На сколько ее хватит? При какой физической нагрузке, какая энергия расходуется? Вопросов как видите много. Но больше всего их появляется, когда начинаешь эту тему изучать. Попробую облегчить  самым любопытным жизнь и сэкономить время.  Поехали…

Энергетический обмен – совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии.

Для обеспечения движения (актиновых и миозиновых нитей в мышце) мышце требуется АденозинТриФосфат (АТФ). При разрыве химических связей между фосфатами выделяется энергия, которая используется клеткой. При этом АТФ переходит в состояние с меньшей энергией в АденозинДиФосфат (АДФ) и неорганического Фосфора (Ф)

АТФ + h3O     ⇒    АДФ + Ф + Энергия

Если мышца производит работу, то АТФ постоянно расщепляется на АДФ и неорганический фосфор выделяя при этом Энергию (порядка 40-60 кДж/моль). Для продолжительной работы необходимо восстановление АТФ с такой скоростью, с какой это вещество используется клеткой.

Источники энергии, используемые при кратковременной, непродолжительной и продолжительной работе различные. Образование энергии может осуществляться как анаэробным (безкислородным), так и аэробным (окислительным) способом. Какие качества развивает спортсмен тренируясь в аэробной или анаэробной зоне я писал в статье «Пульс для бега и пульс при физической нагрузке (Пульсовые зоны)«.

Выделяют три энергетические системы, обеспечивающие физическую работу человека:

  1. Алактатная или фосфагенная (анаэробная). Связана с процессами ресинтеза АТФ преимущественно за счет высокоэнергетического фосфатного соединения – КреатинФосфата (КрФ).
  2. Гликолитическая (анаэробная). Обеспечивает ресинтез АТФ и КрФ за счет реакций анаэробного расщепления гликогена и/или глюкозы до молочной кислоты (лактата).
  3. Аэробная (окислительная). Возможность выполнения работы за счет окисления углеводов, жиров, белков при одновременном увеличении доставки и утилизации кислорода в работающих мышцах.

Энергообеспечение организма человека.

Источники энергии при кратковременной работе.

Быстродоступную энергию мышце дает молекула АТФ (АденозинТриФосфат). Этой энергии хватает на 1-3 секунды. Этот источник используется для мгновенной работы, максимальном усилии.

АТФ + h3O     ⇒     АДФ + Ф + Энергия

В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ; так, у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин. В течение суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000—3000 циклов ресинтеза (человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день, но содержит в каждый конкретный момент примерно 250 г), то есть запаса АТФ в организме практически не создаётся, и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.

Пополняется АТФ за счет КрФ (КреатинФосфат), это вторая молекула фосфата, обладающего высокой энергией в мышце. КрФ отдает молекулу Фосфата молекуле АДФ для образования АТФ, обеспечивая тем самым возможность работы мышцы в течение определенного времени.

Выглядит это так:

АДФ+ КрФ   ⇒   АТФ + Кр

Запаса КрФ хватает до 9 сек. работы. При этом пик мощности приходится на 5-6 сек.  Профессиональные спринтеры этот бак (запас КрФ) стараются еще больше увеличить  путем тренировок  до 15 секунд.

Как в первом случае, так и во втором процесс образования АТФ происходит в анаэробном режиме, без участия кислорода. Ресинтез АТФ за счет КрФ осуществляется почти мгновенно. Эта система обладает наибольшей мощностью по сравнению с гликолитической и аэробной и обеспечивает работу «взрывного» характера с максимальными по силе и скорости сокращениями мышц. Так выглядит энергетический обмен при кратковременной работе, другими словами, так работает алактатная система энергообеспечения организма.

Источники энергии при непродолжительной работе.

Откуда берется энергия для организма при непродолжительной работе? В этом случае источником является животный углевод, который содержится в мышцах и печени человека — гликоген. Процесс, при котором гликоген способствует ресинтезу АТФ и выделению энергии называется Анаэробным гликолизом (Гликолитическая система энергообеспечения).

Гликолиз – это процесс окисления глюкозы, при котором из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты (Пируват). Дальнейший метаболизм пировиноградной кислоты возможен двумя путями — аэробным и анаэробным.

При аэробной работе пировиноградная кислота (Пируват) участвует в обмене веществ и многих биохимических реакциях в организме. Она превращается в Ацетил-кофермент А, который участвует в Цикле Кребса  обеспечивая дыхание в клетке. У эукариот (клетки живых организмов, которые содержат ядро, то есть в клетках человека и животных) Цикл Кребса протекает внутри митохондрии (МХ, это энергетическая станция клетки).

Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) – ключевой этап дыхания всех клеток использующих кислород, это центр пересечения многих метаболических путей в организме. Кроме энергетической роли, Циклу Кребса отводится существенная пластическая функция. Участвуя в биохимических процессах он помогает синтезировать такие важные клетки-соединения, как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.

Если кислорода недостаточно, то есть работа проводится в анаэробном режиме, тогда пировиноградная кислота в организме подвергается анаэробному расщеплению с образованием молочной кислоты (лактата)

Гликолитическая анаэробная система характеризуется большой мощностью. Начинается этот процесс практически с самого начала работы и выходит на мощность  через 15-20 сек. работы предельной интенсивности, и эта мощность не может поддерживаться более 3 – 6 минут. У новичков, только начинающих заниматься спортом, мощности едва ли хватает на 1 минуту. 

Энергетическими субстратами для обеспечения мышц энергией служат углеводы – гликоген и глюкоза. Всего же запаса гликогена в организме человека на 1-1,5 часа работы.

Как было сказано выше, в результате большой мощности и продолжительности гликолитической анаэробной работы в мышцах образуется значительное количество лактата (молочной кислоты).

 Гликоген    ⇒     АТФ + Молочная кислота  

Лактат из мышц проникает в кровь и связывается с буферными системами крови для сохранения внутренней среды организма. Если уровень лактата в крови повышается, то буферные системы в какой-то момент могут не справиться, что вызовет сдвиг кислотно-щелочного равновесия в кислую сторону.  При закислении кровь становится густой и клетки организма не могут получать необходимого кислорода и питания. В итоге, это вызывает угнетение ключевых ферментов анаэробного гликолиза, вплоть до полного торможения их активности. Снижается скорость самого гликолиза, алактатного анаэробного процесса, мощность работы.

Продолжительность работы в анаэробном режиме зависит от уровня концентрации лактата в крови и степенью устойчивости мышц и крови к кислотным сдвигам.

Буферная емкость крови – способность крови нейтрализовать лактат. Чем тренированнее человек, тем больше у него буферная емкость.

Источники энергии при продолжительной работе.

Источниками энергии для организма человека при продолжительной аэробной работе, необходимые для образования АТФ служат гликоген мышц, глюкоза в крови, жирные кислоты, внутримышечный жир. Этот процесс запускается при длительной аэробной работе. Например, жиросжигание (окисление жиров) у начинающих бегунов начинается после 40 минут бега во 2-й пульсовой зоне (ПЗ). У спортсменов процесс окисления запускается уже на 15-20 минуте бега. Жира в организме человека достаточно для 10-12 часов непрерывной аэробной работы.

При воздействии кислорода молекулы гликогена, глюкозы, жира расщепляются синтезируя АТФ с выделением углекислого газа и воды. Большинство реакций происходит в митохондриях клетки.

Гликоген + Кислород   ⇒     АТФ + Углекислый газ + Вода

Образование АТФ с помощью данного механизма происходит медленнее, чем с помощью источников энергии, используемых при кратковременной  и непродолжительной работе. Необходимо от 2 до 4 минут, прежде чем потребность клетки в АТФ будет полностью удовлетворена с помощью рассмотренного аэробного процесса. Такая задержка вызвана тем, что требуется время, пока сердце начнет увеличивать подачу крови обогащенной кислородом мышцам, со скоростью необходимой для удовлетворения потребностей мышц в АТФ.

Жир + Кислород  ⇒    АТФ + Углекислый газ + Вода

Фабрика по окислению жира в организме является самой энергоемкой. Так как при окислении углеводов, из 1 молекулы глюкозы производится 38 молекул АТФ. А при окислении 1 молекулы жира – 130 молекул АТФ.  Но происходит это гораздо медленнее. К тому же для производства АТФ за счет окисления жира требуется больше кислорода, чем при окислении углеводов. Еще одна особенность окислительной, аэробной фабрики – она набирает обороты постепенно, по мере увеличения доставки кислорода и увеличения концентрации в крови выделившихся из жировой ткани жирных кислот.  

Больше полезной информации и статей вы можете найти ЗДЕСЬ.

Если представить все энергообразующие системы (энергетический обмен) в организме в виде топливных баков, то выглядеть они будут так:

  1. Самый маленький бак – КреатинФосфат (это как 98 бензин). Он находится как бы ближе к мышце и запускается в работу быстро. Этого «бензина» хватает на 9 сек. работы.
  2. Средний бак – Гликоген (92 бензин). Этот бак находится чуть дальше в организме и топливо из него поступает с 15-30 секунды физической работы. Этого топлива хватает на 1-1,5 часа работы.
  3. Большой бак – Жир (дизельное топливо). Этот бак находится далеко и прежде, чем топливо начнет поступать из него пройдет 3-6 минут.  Запаса жира в организме человека на 10-12 часов интенсивной, аэробной работы.

Все это я придумал не сам, а брал выжимки из книг, литературы, интернет-ресурсов и постарался лаконично донести до вас. Если остались вопросы — пишите.

Лекция № 2

ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. РАЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ.

План лекции.

  1. Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Источники энергии в организме.

  2. Основные понятия и определения физиологии обмена веществ и энергии.

  3. Методы изучения энергетического обмена у человека.

  4. Понятие о рациональном питании. Правила составления пищевых рационов.

  1. Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Источники энергии в организме.

Организм человека представляет собой открытую термодина-мическую систему, которая характеризуется наличием обмена веществ и энергии.

Обмен веществ и энергии – это совокупность физических, биохимических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в организме человека и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Указанные процессы, протекающие в организме человека изучают многие науки: биофизика, биохимия, молекулярная биология, эндокринология и , конечно же, физиология.

Обмен веществ и обмен энергии тесно взаимосвязаны между собой, однако, с целью упрощения понятий, их рассматривают раздельно.

Обмен веществ (метаболизм) – совокупность химических и физических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.

В обмене веществ различают две направленности процессов по отношению к структурам организма: ассимиляцию или анаболизм и диссимиляцию или катаболизм.

Ассимиляция(анаболизм) – совокупность процессов создания жи-вой материи. Указанные процессы потребляют энергию.

Диссимиляция(катаболизм) – совокупность процессов распада жи-вой материи. В результате диссимиляции энергия воспроизводится.

Жизнь животных и человека представляет из себя единство процес-сов ассимиляции и диссимиляции. Факторами, сопрягающими данные процессы, являются две системы:

  • АТФ – АДФ (АТФ - аденозин три фосфат, АДФ – аденозин ди фосфат;

  • НАДФ (окисленный) – НАДФ (восстановленный), где НАДФ – никотин амид ди фосфат.

Посредничество указанных соединений между процессами ассимиляции и диссимиляции обеспечивается тем, что молекулы АТФ и НАДФ выступают в роли универсальных биологических аккумуляторов энергии, ее переносчика, своеобразной «энергетической валютой» организма. Вместе с тем, прежде чем энергия аккумулируется в молекулах АТФ и НАДФ, ее необходимо извлечь из питательных веществ, которые поступают с пищей в организм. Такими пищевыми веществами являются известные вам белки, жиры и углеводы. К этому же следует добавить, что питательные вещества выполняют не только функцию поставщиков энергии, но и функцию поставщиков строительного материала (пластическая функция) для клеток, тканей и органов. Роль различных питательных веществ в реализации пластических и энергетических потребностей организма неодинакова. Углеводы в первую очередь выполняют энергетическую функцию, пластическая функция углеводов незначительна. Жиры в равной степени выполняют и энергетические и пластические функции. Белки являются основным строительным материалом для организма, но при определенных условиях могут являться и источниками энергии.

Источники энергии в организме.

Как уже отмечалось выше, основными источниками энергии в организме являются пищевые вещества: углеводы, жиры и белки. Освобождение энергии, содержащейся в пищевых веществах, в организме человека протекает в три этапа:

1 этап. Белки расщепляются до аминокислот, углеводы - до гексоз, например, до глюкозы или фруктозы, жиры – до глицерина и жирных кислот. На данном этапе организм в основном тратит энергию на расщепление веществ.

2 этап. Аминокислоты, гексозы и жирные кислоты в ходе биохимических реакций превращаются в молочную и пировиноградную кислоты, а также в Ацетил коэнзим А. На данном этапе из пищевых веществ высвобождается до 30% потенциальной энергии.

3 этап. При полном окислении все вещества расщепляются до СО2 и Н2О. На данном этапе, в метаболическом котле Кребса, высвобождается оставшаяся часть энергии, около 70%. При этом не вся высвобождающаяся энергия аккумулируется в химическую энергию АТФ. Часть энергии распыляется в окружающую среду. Эта теплота получила название первичной теплоты (Q1). Энергия аккумулированная АТФ в дальнейшем расходуется на различные виды работы в организме: механическую, электрическую, химическую и активный транспорт. При этом часть энергии теряется в виде так называемой вторичной теплоты Q2. Смотри схему 1.

Н2О + СО2 + Q1 + АТФ

Механичес-кая работа

+ Q2

Электричес-кая работа

+ Q2

Схема 1. Источники энергии в организме, результаты полного окисления пищевых веществ и виды выделяемой теплоты в организме.

Следует добавить, что количество выделяемой при окислении пищевых веществ не зависит от количества промежуточных реакций, а зависит от начального и конечного состояния химической системы. Данное положение было впервые сформулировано Гессом (закон Гесса).

Более подробно данные процессы вы рассмотрите на лекциях и занятиях, которые будут проводить с вами преподаватели кафедры биохимии.

Энергетическая ценность пищевых веществ.

Энергетическая ценность пищевых веществ оценивается при помощи специальных устройств – оксикалориметрах. Установлено, что при полном окислении 1 г. углеводов выделяется 4,1 ккал (1 ккал=4187 Дж.), 1 г. жиров - 9.45 ккал., 1 г. белков – 5,65 ккал. Следует добавить, что часть пищевых веществ, поступающих в организм, не усваивается. Например, в среднем не усваивается около 2% углеводов, 5% жиров и до 8% белков. К тому же, не все пищевые вещества в организме расщепляются до конечных продуктов – углекислого газа (диоксида углерода) и воды. Например, часть продуктов неполного расщепления белков в виде мочевины выделяется с мочой.

С учетом вышеизложенного можно отметить, что реальная энерге-тическая ценность пищевых веществ несколько ниже, чем установлен-ная в экспериментальных условиях. Реальная энергетическая ценность 1 г. углеводов составляет 4,0 ккал, 1 г. жиров – 9,0 ккал, 1 г. белков – 4,0 ккал.

  1. Основные понятия и определения физиологии обмена веществ и энергии.

Интегральной (общей) характеристикой энергетического обмена организма человека являются суммарные энергетические траты или валовый энергетические траты.

Валовые энергетические траты организма - совокупность энергетических трат организма в течение суток в условиях его обычного (естественного) существования. Валовые энергетические траты включают три компонента: основной обмен, специфическое динамическое действие пищи и рабочую прибавку. Валовые энергетические траты оценивают в кдж/кг/сутки или ккал/кг/сутки(1 кдж=0,239 ккал).

Основной обмен.

Начало учению об основном обмене положили работы ученых Тартусского университета Биддера и Шмидта (Bidder and Schmidt, 1852).

Основной обмен – минимальный уровень энергетических трат, необходимый для поддержания жизнедеятельности организма.

Представление об основном обмене, как минимальном уровне энергетических трат организма предъявляет и ряд требований к условиям, в которых должен оцениваться данный показатель.

Условия, в которых должен оцениваться основной обмен:

  1. состояние полного физического и психического покоя (желательно в положении лежа);

  2. температура комфорта окружающей среды (18-20 градусов по Цельсию);

  3. спустя 10 – 12 часов после последнего приема пищи, чтобы избежать увеличения энергетического обмена, связанного с приемом пищи.

Факторы, влияющие на основной обмен.

Основной обмен зависит от возраста, роста, массы тела и половой принадлежности.

Влияние возраста на основной обмен.

Самый высокий основной обмен в пересчете на 1 кг. Массы тела у новорожденных (50-54 ккал/кг/сутки), самый низкий у пожилых людей (после 70 лет основной обмен составляет в среднем 30 ккал/кг/сутки). На постоянный уровень основной обмен выходит к моменту полового созревания к 12 – 14 годам и остается стабильным до 30-35 лет (около 40 ккал/кг/сутки).

Влияние роста и массы тела на основной обмен.

Между массой тела и основным обменом существует практически линейная, прямая зависимость – чем больше масса тела, тем больше уровень основного обмена. Однако, эта зависимость не абсолютна. При повышении массы тела за счет мышечной ткани указанная зависимость практически линейна, однако, если увеличение массы тела связано с увеличением количества жировой ткани эта зависимость приобретает нелинейный характер.

Поскольку масса тела при прочих равных условиях зависит от роста (чем больше рост – тем больше масса тела), между ростом и основным обменом существует прямая зависимость – чем больше рост, тем больше основной обмен.

Учитывая тот факт, что рост и масса тела влияют на общую площадь тела, М. Рубнер (M.Rubner) сформулировал закон, в соответствии с которым основной обмен зависит от площади тела: чем больше площадь тела, тем больше основной обмен. Однако, указанный закон практически перестает работать в условиях, когда температура окружающей среды равна температуре тела. Кроме того, неодинаковая волосистость кожи существенно изменяет теплообмен между организмом и окружающей средой и поэтому закон Рубнера в этих условиях также имеет ограничения.

Влияние половой принадлежности на уровень основного обмена.

У мужчин уровень основного обмена на 5-6% выше, чем у женщин. Это объясняется различным соотношением жировой и мышечной ткани на 1 кг массы тела, а также различным уровнем метаболизма в связи с различиями химической структуры половых гормонов и их физиологическими эффектами.

Специфическое динамическое действие пищи.

Термин специфическое динамическое действие пищи впервые ввел в научный обиход М.Рубнер в 1902 году.

Специфическое динамическое действие пищи – это повышение энергетического обмена организма человека, связанное с приемом пищи. Специфическое динамическое действие пищи – это энергетические траты организма на механизмы утилизации принимаемой пищи. Указанный эффект в изменении энергетического обмена отмечается с момента подготовки к приему пищи, во время приема пищи и продолжается 10-12 часов после приема пищи. Максимальное увеличение энергетического обмена после приема пищи отмечаеся через 3 – 3,5 часа. Специальные исследования показали, что на утилизацию пищи затрачивается от 6 до 10% ее энергетической ценности.

Рабочая прибавка.

Рабочая прибавка является третьим компонентом валовых энергетических трат организма. Рабочая прибавка является частью энергетических трат организма на мышечную деятельность в окружающей среде. При тяжелой физической работе энергетические траты организма могут повышаться в 2 раза по сравнению с уровнем основного обмена.

  1. Методы изучения энергетического обмена у человека.

Для изучения энергетического обмена у человека разработан целый ряд методов объединенный общим названием – калориметрия.


Смотрите также