Энергетический обмен организма, виды энергозатрат

Обмен веществ и энергии — совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих в живых организмах, и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой.

Обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от не живого.

В обмене веществ, или метаболизме, обеспеченном сложнейшей регуляцией на разных уровнях, участвует множество ферментных систем. В процессе обмена поступившие в организм вещества превращаются в собственные вещества тканей и в конечные продукты, выводящиеся из организма. При этих превращениях освобождается и поглощается энергия.

Законы сохранения вещества и энергии послужили теоретической основой для разработки важнейшего метода исследования обмена веществ и энергии — установления балансов, т.е. определения количества энергии и веществ, поступающих в организм и покидающих его в форме тепла и конечных продуктов обмена.

Баланс энергии определяют на основании калорийности вводимых пищевых веществ и количества выделенного тепла, которое может быть измерено или рассчитано. При этом надо учитывать, что величина калорийности, получаемая при сжигании веществ в калориметрической бомбе, может отличаться от величины физиологической калорической ценности, т.к. некоторые вещества в организме не сгорают полностью, а образуют конечные продукты обмена, способные к дальнейшему окислению. В первую очередь это относится к белкам, азот которых выделяется из организма главным образом в виде мочевины, сохраняющей некоторый потенциальный запас калорий.

Физиологическая калорическая ценность (в ккал/г) составляет для углеводов— 4,1; липидов— 9,3; белков— 4,1; величина теплообразования (в ккал на 1 л потребленного О₂) для углеводов— 5,05; липидов— 4,69; белков— 4,49.

Интенсивность обмена, оцениваемая по общему расходу энергии, может меняться в зависимости от многих условий и в первую очередь от физической работы.

Однако и в состоянии полного покоя обмен веществ и энергии не прекращается, и расходуется некоторое количество энергии на:

· деятельность постоянно работающих органов - дыхательных мышц, сердца, почек, печени, мозга;

· поддержание жизненно необходимого биохимического неравновесия между внутренним составом клетки и составом межклеточной жидкости;

· обеспечение внутриклеточных процессов дыхания, постоянно осуществляющегося синтеза жизненно важных веществ;

· поддержание минимального уровня мышечного тонуса;

· обеспечение постоянно осуществляющегося процесса деления клеток;

· другие процессы.

Для оценки индивидуальных особенностей обмена по рекомендациям экспертов ВОЗ определение интенсивности обмена проводят в стандартных условиях:

· при полном физическом и психическом покое, в положении лежа, не менее чем через 14 ч после последнего приема пищи, при окружающей температуре, обеспечивающей ощущение комфорта.

Полученную величину называют основным обменом.

У молодых мужчин основной обмен составляет 1300—1600 ккал /сут. (1 ккал на 1 кг массы тела в час). У женщин величина основного обмена на 6—10% ниже, чем у мужчин. С возрастом (начиная с 5 лет) величина основного обмена неуклонно снижается (с 52,7 ккал/м²/ч у шестилетних мальчиков до 34,2 ккал/м²/ч у мужчин 75—79 лет).

С повышением температуры тела на 1 интенсивность основного обмена у человека возрастает приблизительно на 13%. Повышение интенсивности основного обмена наблюдают также при снижении температуры окружающей среды ниже комфортной. Этот адаптационный процесс (химическая терморегуляция) связан с необходимостью поддерживать постоянную температуру тела.

При сравнении основного обмена у людей с разной массой тела было установлено, что основной обмен интенсифицируется с увеличением размеров тела (но не прямо пропорционально его массе). Большее соответствие наблюдается между основным обменом и величиной поверхности тела, т.к. поверхность тела в значительной мере определяет потерю организмом тепла путем проведения и излучения.

Определяющее влияние на величину обмена веществ и энергии оказывает физическая нагрузка. Основной обмен при интенсивной физической нагрузке по расходу энергии может в 10 раз превышать исходный основной обмен, а в очень короткие периоды (например, при плавании на короткие дистанции) даже в 100 раз.

На обмен веществ и энергии существенно влияет особое свойство пищевых веществ, называемое их специфически-динамическим действием (СДД). Было замечено, что после принятия пищи теплоотдача организма возрастает на величину, превышающую количество калорий, содержащихся в принятой пище. Это свойство, различное для разных пищевых веществ, и назвали их специфически-динамическим действием. Наиболее высоким СДД отличаются белки. Принято считать, что прием белка с потенциальной калорической ценностью 100 ккал увеличивает основной обмен до 130 ккал, то есть СДД белка составляет 30%. СДД углеводов и жиров находится в пределах 4—6%.

Механизм СДД заключается не только в том, что прием пищи стимулирует активность пищеварительного аппарата, так как СДД, например аминокислот, — проявляется и при их внутривенном введении. Главным в механизме СДД следует считать влияние пищевых продуктов на промежуточный обмен. Так, расчеты показали, что количество калорий, затрачиваемое на образование 1 моля АТФ при метаболизме белков, примерно на 30% выше, чем при обмене жиров и углеводов.

Совокупность химических превращений веществ, которые происходят в организме, начиная с момента их поступления в кровь и до момента выделения конечных продуктов обмена из организма, называют промежуточным, или межуточным обменом (промежуточным метаболизмом).

Промежуточный обмен может быть разделен на два процесса:

· катаболизм (диссимиляция;

· анаболизм (ассимиляция).

Катаболизмом называют ферментативное расщепление сравнительно крупных органических молекул, осуществляемое у высших организмов, как правило, окислительным путем. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, заключенной в сложных структурах органических молекул, и запасанием ее в форме энергии фосфатных связей АТФ.

Анаболизм представляет собой ферментативный синтез крупномолекулярных клеточных компонентов, таких, как полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки, липиды, а также некоторых их биосинтетических предшественников из более простых соединений. Анаболические процессы происходят с потреблением энергии. Катаболизм и анаболизм происходят в клетках одновременно. Они неразрывно связаны друг с другом. По существу, их следует рассматривать не как два отдельных процесса, а как две стороны одного общего процесса — метаболизма, в котором превращения веществ теснейшим образом переплетены с превращениями энергии.

Подробный анализ метаболических путей показывает, что расщепление основных пищевых веществ в клетке представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций, составляющих три главные стадии катаболизма.

На первой стадии крупные органические молекулы распадаются на составляющие их специфические структурные блоки. Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз, белки — до аминокислот, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов и нуклеозидов, липиды— до жирных кислот, глицерина и других веществ. Все эти реакции протекают в основном гидролитическим путем и количество энергии, освобождающейся на этой стадии, очень невелико— менее 1%.

На второй стадии катаболизма формируются еще более простые молекулы, причем число их типов существенно уменьшается. Очень важно, что на второй стадии образуются продукты, которые являются общими для обмена разных веществ.

Эти продукты — ключевые соединения, представляющие собой как бы узлы, соединяющие разные пути метаболизма. К таким соединениям относятся, например, пируват (пировиноградная кислота), образующийся при распаде углеводов, липидов и многих аминокислот; ацетил-КоА; объединяющий катаболизм жирных кислот, углеводов и аминокислот; a-кетоглутаровая кислота, оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота), фумарат (фумаровая кислота) и сукцинат (янтарная кислота), образующихся из разных аминокислот, и др.

Продукты, полученные на второй стадии катаболизма, вступают в третью стадию катаболизма, которая известна как цикл трикарбоновых кислот (терминальное окисление, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). В ходе этой стадии все продукты в конечном счете окисляются до СО₂ и воды. Практически почти вся энергия освобождается на второй и третьей стадиях катаболизма.

Процесс анаболизма тоже проходит три стадии. Исходными веществами для него служат те продукты, которые подвергаются превращениям на третьей стадии катаболизма. Таким образом, третья стадия катаболизма является в то же время первой, исходной стадией анаболизма. Реакции, протекающие на этой стадии, выполняют как бы двойную функцию. С одной стороны, они участвуют в завершающих этапах катаболизма, а с другой — служат и для анаболических процессов, поставляя вещества-предшественники для последующих стадий анаболизма. Нередко такие реакции называют амфиболическими. На этой стадии, например, начинается синтез белка. Исходными реакциями этого процесса можно считать образование некоторых a-кетокислот. На следующей, второй стадии в ходе реакций аминирования или трансаминирования эти кетокислоты превращаются в аминокислоты, которые на третьей стадии анаболизма объединяются в полипептидные цепи. В результате ряда последовательных реакций происходит также синтез нуклеиновых кислот, липидов и полисахаридов. Лишь в 60—70гг. 20в. выяснилось, что пути анаболизма не являются простым обращением процессов катаболизма. Это связано с энергетическими особенностями химических реакций. Некоторые реакции катаболизма практически необратимы, т.к. их протеканию в обратном направлении препятствуют непреодолимые энергетические барьеры. В ходе эволюции были выработаны другие, обходные реакции, сопряженные с затратой энергии макроэргических соединений.

Катаболический и анаболический пути отличаются, как правило, и локализацией в клетке.

Клеточный метаболизм характеризуется высокой устойчивостью и в то же время значительной изменчивостью. Оба эти свойства, составляющие диалектическое единство, обеспечивают постоянное приспособление клеток и организмов к меняющимся условиям окружающей и внутренней среды. Так, скорость катаболизма определяется потребностью в энергии в каждый данный момент. Точно так же скорость биосинтеза клеточных компонентов определяется нуждами данного момента.

Клетка, например, синтезирует аминокислоты именно с такой скоростью, которая достаточна для того, чтобы обеспечить возможность образования минимального количества необходимого ей белка. Подобная экономичность и гибкость метаболизма возможна лишь при наличии достаточно тонких и чутких механизмов его регуляции. Регуляция метаболических процессов осуществляется на разных уровнях возрастающей сложности. Простейший тип регуляции затрагивает все основные параметры, влияющие на скорость ферментативных реакций. К этим параметрам относятся рН среды, концентрация кофермента, субстрата, продукта реакции, наличие активаторов или ингибиторов и т.д. Изменение каждого из них может увеличить или уменьшить скорость реакции.

Следующий уровень регуляции сложных метаболических процессов касается мультиферментных реакций, которые представляют собой строгую последовательность превращений и катализируются целой системой ферментов. В такой системе существуют регуляторные ферменты, находящиеся обычно в начальных звеньях цепи реакций. Регуляторные ферменты, как правило, ингибируются конечным продуктом данной метаболической последовательности. Т.о. как только количество продукта реакции достигает определенной концентрации, дальнейшее его образование прекращается.

Третий уровень регуляции метаболических процессов представляет собой генетический контроль, определяющий скорость синтеза ферментов, которая может значительно варьировать. Регуляция на уровне гена способна привести к увеличению или уменьшению концентрации тех или иных ферментных белков, к изменению типов ферментов, изменению относительного содержания в клетке множественных форм фермента, которые, катализируя одну и ту же реакцию, различаются по своим физико-химическим свойствам. Наконец, в некоторых случаях может иметь место индукция или регрессия одновременно целой группы ферментов. Генетическая регуляция отличается высокой специфичностью, экономичностью и обеспечивает широкие возможности для контроля метаболизма. Однако в подавляющем большинстве клеток активация генов является медленным процессом. Обычно время, необходимое для того, чтобы индуктор или репрессор мог заметно повлиять на концентрацию ферментов, измеряется часами. Поэтому данная форма регуляции непригодна для тех случаев, когда необходимо немедленное изменение метаболизма.

У человека существуют еще два уровня, два механизма регуляции обмена веществ и энергии, которые отличаются тем, что связывают между собой метаболизм, совершающийся в разных тканях и органах, и таким образом направляют и приспосабливают его для выполнения функций, присущих не отдельным клеткам, а всему организму в целом.

Одним из таких механизмов управляет эндокринная система. Гормоны, вырабатываемые железами внутренней секреции, служат химическими медиаторами, стимулирующими или подавляющими определенные метаболические процессы в других тканях или органах. Например, когда поджелудочная железа начинает вырабатывать меньше инсулина, в клетки поступает меньше глюкозы, что влечет за собой ряд вторичных метаболических эффектов, в частности уменьшение биосинтеза жирных кислот из глюкозы и усиление образования кетоновых тел в печени. Противоположное инсулину действие оказывает соматотропный гормон (гормон роста).

Вторым уровнем регуляции, характерным для человека является нервная регуляция, представляющая собой самый высший уровень регуляции, наиболее совершенную ее форму. Нервная система, в частности ее центральные отделы, выполняет в организме высшие интегративные функции. Получая сигналы из окружающей среды и от внутренних органов, ЦНС преобразует их в нервные импульсы и направляет их к тем органам, изменение скорости метаболизма в которых необходимо в данный момент для выполнения определенной функции. Чаще всего свою регулирующую роль нервная система осуществляет через железы внутренней секреции, усиливая или подавляя поступление гормонов в кровь.

Хорошо известно влияние эмоций на метаболизм, например предстартовое повышение показателей обмена веществ и энергии у спортсменов, усиленная продукция адреналина и связанное с этим повышение концентрации глюкозы в крови у студентов во время экзаменов и др.

Во всех случаях регулирующее действие нервной системы на обмен веществ и энергии весьма целесообразно и всегда направлено на наиболее эффективное приспособление организма к изменившимся условиям.

Нарушения обмена веществ и энергии могут быть обусловлены действием как внешних, так и внутренних факторов.

К внешним факторам следует отнести качественные и количественные изменения состава пищи, экзогенные токсические вещества (в т.ч. бактериальные токсины), проникновение в организм патогенных микроорганизмов и вирусов. К внутренним факторам, вызывающим нарушения обмена веществ и энергии, относят генетически обусловленные нарушения синтеза ферментов, транспортных белков (гемоглобина, трансферрина, церулоплазмина и др.), иммуноглобулинов, белковых и пептидных гормонов, структурных белков биологических мембран и др.

Для оценки степени количественной (энергетической) адекватности питаниянеобходимо сопоставить полученное тем или иным методом значение средних суточных энерготрат с энергосодержанием суточного пищевого рациона с учетом его фактического потребления.

В суточном пищевом рационе энергосодержание определяют лабораторным или расчетным методом. При лабораторном исследовании определяют химический состав рациона (белки, жиры и углеводы) с последующим подсчетом общей калорийности

В основе расчетного метода лежит использование таблиц калорийности пищевых продуктов, по которым вычисляют энергосодержание каждого продукта, входящего в рацион, а затем общую калорийность последнего.

При использовании обоих методов необходимо иметь данные об энергетической ценности основных питательных веществ (белков, жиров и углеводов).

Если калорийность суточного рациона не покрывает энерготраты организма за сутки, возникает энергетический дефицит. Такое состояние характеризуется мобилизацией всех энергетических ресурсов на ликвидацию образовавшегося дефицита. При этом все питательные вещества, в том числе и белки, используются главным образом как источники энергии. Преимущественное расходование белка на энергетические цели, в ущерб прямому его пластическому предназначению, является ведущим патогенетическим механизмом клинических проявлений энергетического дефицита. В случае длительного пребывания организма в таком состоянии на обеспечение энергетических нужд начинают расходоваться не только белки пищи, но и белки тканей, что в конечном счете приводит к тяжелым патологическим состояниям белково-энергетической недостаточности (БЭН) - алиментарной дистрофии у взрослых и квашиоркору у детей.

Эксперты ВОЗ считают, что систематически потребляемый рацион, содержащий менее 2400 ккал (10 МДж) в сутки, не может обеспечить нормальную жизнедеятельность человека.

Не менее серьезными неблагоприятными последствиями характеризуется и избыточное поступление энергии с пищей.

Несмотря на то, что сотни миллионов людей нашей планеты живут в нищете и голодают, а более 800 миллионов людей в мире стали инвалидами из-за голода, каждый 20-й житель планеты страдает ожирением и потенциально рискует приобрести ряд хронических болезней из-за неправильного питания. Упрямая статистика отмечает, что в мировом масштабе население год от года катастрофически толстеет. По количеству людей, с избыточной массой тела лидерство устойчиво удерживает Западное Самоа. В США избыточным весом страдает более трети взрослого населения, причем число их неуклонно растет. В Европе подобная проблема хоть и чуть менее злободневна, но там миллионы людей ежедневно поглощают такое количество калорий, которые невозможно потратить с пользой для дела, особенно ведя сидячий образ жизни.

Контрольные вопросы

1.Что подразумевается под обменом веществ и энергии в живых организмах?

2. Как определяется баланс энергии в организме человека?

3. От каких факторов зависит интенсивность обмена веществ человека?

4.Опишите влияние на интенсивность обмена веществ человека избытка или недостатка поступления энергии с пищевыми продуктами?

Дата добавления: 2014-12-27