Роль обмена веществ в обеспечении пластических потребностей организма

Потребность организма в пластических веществах может быть удовлетворена тем минимальным уровнем их потребления с пищей, который будет уравновешивать потери структурных белков, липидов и углеводов при поддержании энергетического баланса. Эти потреб­ности индивидуальны и зависят от таких факторов, как возраст человека, состояние здоровья, интенсивность и вид труда.

Человек получает из окружающей среды в составе пищевых про­дуктов заключенные в них энергию и пластические вещества, ми­неральные ионы и витамины.

Обмен Белков

Потребность в белке определяется минимальным количе­ством пищевого белка, который будет уравновешивать потери орга­низмом азота, при сохранении энергетического баланса. Белки на­ходятся в состоянии непрерывного обмена и обновления. В орга­низме здорового взрослого человека количество распавшегося за сутки белка равно количеству вновь синтезированного. Животные существа могут усваивать азот только в составе аминокислот, посту­пающих в организм с белками пищи. Десять аминокислот из 20 (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, триптофан, треонин, фенилаланин, аргинин и гистидин) в случае их недостаточного по­ступления с пищей не может быть синтезирована в организме. Эти аминокислоты называют незаменимыми. Другие десять аминокислот (заменимые) не менее важны для жизнедеятельности, чем незаме­нимые, но в случае недостаточного поступления с пищей заменимых аминокислот они могут синтезироваться в организме. Важным фактором обмена белков организма является повторное использование (реутилизация) аминокислот, образовавшихся при распаде одних белковых молекул, для синтеза других.

Из аминокислот, источниками которых являются белки пищи, и аминокислот, образующихся в организме, синтезируются свойствен­ные ему белковые молекулы,пептидные гормоны, коэнзимы. В этом заключается пластическая роль белков пищи.

Скорость распада и обновления белков организма различна. Полу­период распада гормонов пептидной природы составляет минуты или часы, белков плазмы крови и печени около 10 суток, белков мышц около 180 суток. В среднем белки организма человека обновляются за 80 суток. О суммарном количестве белка, подвергшегося распаду за сутки, судят по количеству азота, выводимого из организма че­ловека. В белке содержится около 16% азота или в 100 г белка — 16 г азота. Таким образом, выделение организмом 1 г азота соот­ветствует распаду 6,25 г белка. За сутки из организма взрослого человека выделяется около 3,7 г азота. Из этих данных следует, что масса белка, подвергшегося за сутки полному разрушению состав­ляет 3,7 х 6,25 = 23 г или 0,028-0,075 г азота на 1 кг массы тела в сутки (коэффициент изнашивания по Рубнеру).

Если количество азота, поступающего в организм с пищей, равно количеству азота выводимого из организма, принято считать, что организм находится в состоянии азотистого равновесия. В случаях, когда в организм поступает азота больше, чем его выделяется, го­ворят о положительном азотистом балансе (задержка, ретенция азо­та). Такие состояния бывают при увеличении массы мышечной тка­ни, в период роста организма, беременности, выздоровления после тяжелого истощающего заболевания.

Состояние, при котором количество выводимого из организма азота превышает его поступление в организм, называют отрицательным азотистым балансом. Оно имеет место при питании неполноценными белками, когда в организм не поступают какие-либо из незаменимых аминокислот, при белковом голодании или при полном голодании.

Белки, использующиеся в организме в первую очередь в качестве пластических веществ, в процессе их разрушения освобождают энер­гию для синтеза АТФ и образования тепла.

Консультативным совещанием экспертов Всемирной организации здравоохранения рекомендуется потребление белка не менее 0.75 г/кг/ сутки или для взрослого здорового человека массой 70 кг не менее 52,5 г легкоусвояемого полноценного белка в сутки.

Обмен Липидов

Липиды организма человека — это, главным образом, нейтральные сложные эфиры глицерина и высших жирных кис­лот — триглицериды, фосфолипиды и стерины. Высшие жирные кислоты, входящие в состав сложных липидных молекул в виде углеводородных радикалов, бывают насыщенными и ненасыщенны­ми, содержащими одну и более двойных связей. Липиды играют в организме энергетическую и пластическую роль. По сравнению с молекулами углеводов и белков молекула липидов является более восстановленной. Поэтому при окислении липидов в организме образуется больше молекул АТФ и тепла. За счет окисления жиров обеспечивается около 50% потребности в энергии взрослого орга­низма. В отличие от белков, которые не образуют специальных запасных форм, служащих источником энергии, запасы нейтральных жиров- триглицеридов в жировых депо человека в среднем состав­ляют 10-20% массы его тела. Из них около половины локализуется в подкожной жировой клетчатке. Кроме того, значительные запасы нейтрального жира откладываются в большом сальнике, околопочеч­ной клетчатке, в области гениталий и между мышцами. Жиры, откладываясь в жировых депо, служат долгосрочным резервом пи­тания организма.

Жиры являются источником образования эндогенной воды. При окислении 100 г нейтрального жира в организме образуется около 107 г воды.

Если основную роль в удовлетворении энергетических потребностей организма играют нейтральные молекулы жира — триглицериды, то пластическая функция липидов в организме осуществляется, главным образом, фосфолипидами, холестерином, жирными кислотами. Эти липидные молекулы выполняют функции структурных компонентов клеточных мембран, липопротеидов, являются предшественниками синтеза стероидных гормонов, желчных кислот и простагландинов.

В состав клеточных липидов входят фосфо-липиды и холестерин, являющиеся необходимыми структурными компонентами поверхностной и внутриклеточных мембран. Тригли­цериды откладываются в клетках в виде жировых капель, формируя жировые депо. Последние являются не инертной массой, а активной динамической тканью, в которой запасенные жиры подвергаются постоянному расщеплению и ресинтезу. При действии на организм холода, в состоянии голода, при физической или психоэмоциональ­ной нагрузке происходит интенсивное расщепление (липолиз) запа­сенных триглицеридов. Образующиеся при этом неэстерифицированные жирные кислоты используются в организме как энергода-ющие или как пластические вещества, необходимые для синтеза сложных липидных молекул. В условиях покоя после приема пищи происходит ресинтез и отложение нейтральных липидов в подкож­ной жировой клетчатке, брюшной полости, мышцах.

В межлопаточной области, вдоль крупных сосудов грудной и брюшной полостей, в затылочной области шеи находится жировая ткань бурого вида. Такой оттенок ей придают более много­численные, в сравнении с белой жировой тканью, окончания сим­патических нервных волокон, а также многочисленные митохондрии, содержащиеся в клетках этой ткани. Масса бурой жировой ткани достигает у взрослого 0,1 % массы тела. У детей содержание бурого жира больше, чем у взрослых. В митохондриях жировых клеток имеется полипептид молекулярной массой 32000, способный разоб­щать идущие здесь процессы окисления и образования АТФ. Результатом такого разобщения является образование в бурой жировой ткани в ходе метаболизма жира значительно большего количества тепла, чем в белой жировой ткани. Бурая жировая ткань играет роль не только в теплопродукции, но и в поддержании на отно­сительно постоянном уровне массы тела.

Липидные молекулы, обладая гидрофоб­ными свойствами, не могут растворяться в водной среде или обра­зовывать молекулярную взвесь. Попадая в значительных количествах в кровь при переломе крупных трубчатых костей или при перели­вании неустойчивых жировых эмульсий они формируют липидные капельки и могут вызвать закупорку сосудов — жировую эмболию. В естественных условиях в эпителиальных клетках тонкого кишечника и клетках печени из белковых молекул — апопротеинов, фосфолипидов, холестерина, эфиров холестерина и триглицеридов формиру­ются транспортные частицы, называемые липопротеидами. Общий план строения этих частиц одинаков. Их поверхность представлена белковыми и фосфолипидными молекулами, а также холестерином, которые за счет полярных химических групп и радикалов формиру­ют полярную, гидрофильную поверхность липопротеидной частицы. Это позволяет последним образовывать устойчивую взвесь в плазме крови. Внутренняя часть, ядро липопротеидной частицы, формиру­ется за счет гидрофобных, нейтральных липидных молекул — триг­лицеридов и эфиров холестерина. В зависимости от типа апопротеина и соотношения в липопротеидной частице различных молеку­лярных липидов липопротеиды имеют неодинаковую молекулярную массу и размеры.

По показателям молекулярной массы, размеров и плотности липопротеиды крови подразделяют на классы:

1) Хиломикроны, 2) Липопротеиды очень низкой плотности, 3) Липопротеиды низ­кой плотности, 4) Липопротеиды высокой плотности.

Липидные молекулы, всосавшиеся из кишечника, упаковываются в эпителиоцитах в транспортные частицы экзогенных липидов, глав­ным образом, в хиломикроны. Хиломикроны через лимфатические сосуды и протоки поступают в кровоток. Под действием липопротеидлипазы эндотелия капилляров главный компонент хиломикронов — нейтральные триглицериды — расщепляются до глицерина и свободных жирных кислот. Часть жирных кислот может связываться с альбумином, а глицерин и свободные жирные кислоты поступают в жировые клетки и реэстерифицируются в триглицериды. Остатки хиломикронов крови захватываются гепатоцитами, подвергаются эндоцитозу и разрушаются в лизосомах.

В печени формируются липопротеиды для транспорта синтезиро­ванных в ней липидных молекул. Это липопротеиды очень низкой и липопротеиды низкой плотности, которые транспортируют из пече­ни к другим тканям триглицериды, холестерин.

Липопротеиды низ­кой плотности «захватываются» из крови клетками тканей с помо­щью липопротеидных рецепторов, эндоцитируются, высвобождают для нужд клеток холестерин и разрушаются в лизосомах. В случае избыточного накопления в крови липопротеидов низкой плотности, они «захватываются» также макрофагами и другими клетками мононуклеарной фагоцитарной системы. Эти клетки, накапливая метабо­лически низкоактивные эфиры холестерина, превращаются в «пе­нистые клетки», которые являются одним из компонентов атеросклеротических бляшек интимы сосудов.

Липопротеиды высокой плотности транспортируют избыточный холестерин и его эфиры из тканей в печень, где они превращаются в желчные кислоты, в составе которых выводятся из организма. Кроме того, эфиры холестерина липопротеидов высокой плотности используются для синтеза стероидных гормонов в надпочечниках.

Как простые, так и сложные липидные молекулы могут синтези­роваться в организме. Исключением являются полиненасыщенные линолевая, линоленовая и арахидоновая жирные кислоты, синтез которых в организме не осуществляется, и они должны поступать с пищей. Эти кислоты, получившие название незаменимых, входят в состав молекул фосфолипидов. Из арахидоновой кислоты, отщеп­ляемой от молекулы мембранных фосфолипидов, образуются про-стагландины, простациклины, тромбоксаны, лейкотриены. Отсутствие в пищевых продуктах или недостаточное поступление в организм незаменимых жирных кислот приводит к задержке роста, наруше­нию функции почек, заболеваниям кожи, бесплодию.

Обмен Углеводов

Такой же процесс перехода глюкозы в результате ее обратной диффузии по градиенту концентрации происходит, когда ее кон­центрация в клетке повышается за счет глюконеогенеза — синтеза глюкозы из лактата или аминокислот. В течение первых 12 и более часов после приема пищи поддержание концентрации глюкозы в крови и обеспечение потребности организма в углеводах реализуют­ся за счет распада гликогена в печени. Вслед за истощением запа­сав гликогена усиливается синтез ферментов, обеспечивающих реак­ции глюконеогенеза.

Организм человека нуждается только в одном из производных углеводов — аскорбиновой кислоте (витамине С), которая не может синтезироваться в организме человека и других приматов.

Глюкоза, являющаяся источником энергии для процессов жизне­деятельности и, в частности, главным источником энергии для кле­ток мозга, выполняет в организме пластические функции. Так, в ходе ее окисления образуются промежуточные продукты — пентозы, которые входят в состав нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Глю­коза необходима для синтеза некоторых аминокислот, синтеза и окисления липидов, полисахаридов.

Обмен воды и минеральных веществ

Содержание воды в организ­ме взрослого человека составляет в среднем (73,2±3)% безжировой массы тела и варьирует от 10-процентного содержания в жировой ткани до 83% в почках и крови. Водный баланс в организме поддер­живается за счет равенства объемов потерь воды и ее поступления в организм. Суточная потребность в воде колеблется, в зависимости от условий, от 21 до 43 мл/кг (в среднем 2400 мл) и удовлетворяется за счет поступления воды при питье (—1200 мл), с пищей (—900 мл) и образующейся в организме в ходе обменных процессов эндогенной воды (—300 мл). Такое же количество воды выводится: в составе мочи (—1400 мл), кала (—100 мл), посредством испарения с поверхности кожи и дыхательных путей (—900 мл). Минимальная суточная потреб­ность в воде составляет около 1700 мл.

Потребность организма в воде зависит от характера питания. При питании преимущественно углеводной, жировой пищей и при не­большом поступлении в организм NaCl эти потребности меньше. Пища, богатая белками, а также повышенный прием соли, обуслов­ливают большую потребность в воде, которая необходима для экс­креции с большим объемом мочи осмотически активных веществ: мочевины и минеральных ионов.

Недостаточное поступление в организм воды или ее избыточная потеря приводят к дегидратации. Это сопровождается сгущением крови, ухудшением ее реологических свойств и нарушением гемо­динамики. Недостаток в организме воды в объеме 20% массы тела ведет к летальному исходу. Избыточное поступление воды в орга­низм или снижение ее объемов, выводимых из организма, приводит к водной интоксикации. Во внеклеточной жидкости осмотическая концентрация становится ниже, чем внутри клеток, они поглощают воду и набухают. В результате повышенной чувствительности нерв­ных клеток и нервных центров к уменьшению осмолярности водная интоксикация может сопровождаться мышечными судорогами.

Обмен, воды и минеральных ионов в организме тесно взаимосвя­заны и взаимозависимы. Это обусловлено прежде всего необходи­мостью поддержания осмотического давления на относительно по­стоянном уровне во внутренней среде организма и в клетках, а также значением сил осмоса для обмена и выведения из организма как воды, так и минеральных ионов. Для поддержания осмотичес­кого давления важна концентрация всех растворенных в воде ми­неральных и органических ионов.

Осуществление ряда физиологических процессов, как, например, возбуждения, синаптической передачи, сокращения мышцы невозможно без поддержания в клетке и во внеклеточной среде определенной концентрации Na+, K+, Са++ и других минеральных ионов. Поскольку их синтез в организме не осуществляется, все они должны поступать в организм с пищей и питьем. Данные о физиологической роли, суточной потребности и пищевых источниках минеральных ионов приедены в таблице 10.1. В этой же таблице представлены сведения о микроэлементах. К ним относят ту часть минеральных ионов, которые выполняют в организме ряд перечисленных в таблице функций, но суточная потребность в этих веществах невелика.

Физиологическая роль важнейших минеральных ионов и микроэлементов

Обмен Витаминов

Термин витамины используется для характеристики группы разнородных по химической природе веществ, не синтези­руемых или синтезируемых в недостаточных количествах в организ­ме, но необходимых для нормального осуществления обмена ве­ществ, роста, развития организма и поддержания здоровья. Эти вещества не являются непосредственными источниками энергии и не выполняют пластических функций. Витамины являются состав­ными компонентами ферментных систем и играют роль катализа­торов в обменных процессах. Сведения об источниках витаминов, их суточной потребности для взрослого человека и значении в осу­ществлении физиологических функций приведены в таблице 10.2.

Основными источниками водорастворимых витаминов (группа В, витамин С) являются, как правило, продукты питания растительного происхождения и в меньшей мере продукты питания животного происхождения. Эти витамины легко всасываются из желудочно-кишечного тракта в кровь и лимфу.

Основными источниками жирорастворимых витаминов (витамины А, Д, Е и К) являются продукты животного просхождения. Для удовле­творения потребностей организма в витаминах имеет значение не толь­ко достаточное содержание в пищевом рационе богатых витаминами продуктов растительного и животного происхождения, но и нормаль­ное осуществление процессов пищеварения и всасывания веществ в желудочно-кишечном тракте. Так при нарушениях пищеварения в тон­ком кишечнике, связанных с недостаточным поступлением в 12-перстную кишку желчи или панкреатической липазы, может наблюдаться недостаточное всасывание из желудочно-кишечного тракта витаминов при их нормальном содержании в пище.

Витамины в продуктах питания могут содержаться в активной или неактивной форме (провитамины) . Активация провитаминов проис­ходит после их поступления в организм.

Важным источником образования и поступления в организм ви­таминов (К, В6) является микрофлора кишечника.

Гипо- и авитаминоз . Длительное голодание, питание пищевыми продуктами, не содер­жащими или содержащими малое количество витаминов, употребле­ние в пищу продуктов после их длительного хранения или непра­вильной переработки, нарушение пищеварительных функций могут приводить к недостаточному поступлению витаминов в организм (гиповитаминозу). Гиповитаминоз или полное прекращение поступ­ления витамина в организм (авитаминоз) приводят к неспецифичес­ким изменениям (снижение умственной и физической работоспо­собности), так и к специфическим изменениям в организме, харак­терным для гипо- и авитаминоза конкретного витамина (табл. 10.2).

Избыточное поступление в организм витаминов может приводить к гипервитаминозу . При поступлении водорастворимых витаминов в дозах, превышающих суточную потребность, эти вещества могут быстро выводиться из организма. При этом каких-либо признаков гипервитаминоза не отмечается. Однако, установлено, что потребле­ние больших количеств витамина В6 может сопровождаться наруше­нием функции периферической нервной системы. Гипервитаминоз К сопровождается нарушением функции желудочно-кишечного тракта и анемией. Изменения в организме, наблюдаемые при гипервитаминозах А, Д, РР приведены в таблице 10.2.