Краткие теоретические сведения. Обмен веществ и энергии – это совокупность физических, химических и физиологических процессов усвоения питательных веществ

Обмен веществ и энергии – это совокупность физических, химических и физиологических процессов усвоения питательных веществ, направленных на строительство организма и высвобождение энергии. Обмен веществ и энергии является одной из важнейших особенностей живой природы и основной функцией организма. В процессе обмена веществ в организм поступают белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные соли, вода и выделяются продукты распада – уже ненужные или вредные для жизнедеятельности организма вещества. Происходит усвоение поступивших химических веществ организмом (пластические процессы), или процессы ассимиляции (анаболизма) и одновременно с ними идут процессы диссимиляции, или распада (катаболизма). Данные процессы находятся в динамическом равновесии.

Энергию для всех процессов жизнедеятельности организм получает в результате анаэробного (гликолиза) и аэробного катаболизма поступающих в организм белков, жиров и углеводов. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к разрушению тканевых структур, выделению энергии. В детей и подростков преобладает анаболизм, у стариков – катаболизм.

Особенности обмена веществ и энергии у детей определяются следующими факторами: потребностью в пластическом материале; изменением метаболических путей и циклов на различных этапах роста; возрастной чувствительностью тканей к действию гормонов; сменой периодов роста и дифференцировки тканей; изменением пропорций внутренних органов и мышечной ткани; накоплением энергетических резервов организма (гликогена и жира); относительным уменьшением объема внутренней среды (внеклеточной жидкости) за счет увеличения клеточной массы.

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

Основной обмен у детей интенсивнее, чем у взрослых. Растущий организм характеризуется большим поглощением О₂ и выделением СО₂, что свидетельствует о высокой интенсивности протекающих обменных процессов. Имеется четкая закономерность соответствия интенсивности основного обмена и динамики роста. Чем больше скорость относительного роста, тем значительнее изменения обмена покоя. Величина основного обмена у девочек ниже, чем у мальчиков, однако, по темпам роста и интенсивности обмена девочки опережают мальчиков на год.

В период роста белок необходим для формирования новых клеток и тканей. Чем меньше возраст ребенка, тем большее количество белка требуется на каждый кг массы тела. Потребность мальчиков в белках больше, чем у девочек. Синтез белка в развивающемся организме доминирует над распадом. Для детей характерен положительный азотистый баланс, т.е. преобладание азота, поступившего в организм над выведенным азотом. При голодании наблюдается отрицательный азотистый баланс. В возрасте от 1,5 до 3 лет максимальное усвоение (ретенция) отмечается при поступлении 4 г белка на 1 кг массы. Наилучшая ретенция отмечается в тех случаях, когда это соотношение белков, жиров и углеводов равно 1:1:4. Очень важно, чтобы дети получали с пищей достаточное количество незаменимых аминокислот, при этом 75% белка, получаемого с пищей, должно быть животного происхождения, 25% – растительного. С увеличением возраста содержание белков животного происхождения должно уменьшаться. При окислении 1 г белка выделяется 4,1 ккал энергии.

Поступившие с пищей растительные и животные жиры расщепляются в пищеварительном тракте на глицерин и жирные кислоты, которые всасываются, главным образом, в лимфу. Липиды – это богатый источник энергии, обязательная составная часть клеточных структур и резервные энергетические запасы. Важным для организма является поступление ненасыщенных жирных кислот ( линолевая, линоленовая, арахидоновая кислоты), содержащихся в растительных маслах. Не синтезируемых организмом (незаменимые жирные кислоты). На 1 кг массы взрослого человека в сутки должно поступать с пищей 1,25 г жиров (80–100 г в сутки). Потребность организма детей в липидах тем выше, чем меньше возраст ребенка. В первое полугодие жизни ребенку требуется на каждый кг массы тела 6–7 г жиров, в возрасте от 6 месяцев до 4 лет –3,5–4 г, в дошкольном и школьном возрасте – 2,0–2,5 г.

Изменения содержания в организме различных липидов вызывают постепенные нарушения проницаемости и плотности клеточных мембран, что сопровождается ухудшением функции клеток. Предполагают, что это один из механизмов старения. При окислении 1 г жира освобождается 9,3 ккал энергии.

Углеводы являются основным источником энергии. Наибольшее их количество содержится в злаках, картофеле, фруктах и овощах. Углеводы расщепляются в пищеварительном тракте до глюкозы, всасываются в кровь и усваиваются клетками организма в виде глюкозы, к недостатку которой (гипогликемии) чувствительна нервная ткань. Распад углеводов может проходить как в аэробных (цикл Кребса), так и в анаэробных (гликолиз) условиях. Характерной особенностью углеводного обмена у детей является высокая усвояемость углеводов (до 99%), что в определенной степени объясняется высокой активностью лактазы кишечника. Суточная потребность в углеводах в грудном возрасте составляет 10–12 г на 1 кг массы тела, в возрасте от 4 до 7 лет –287,9 г, от 8 до 13 лет –370 г, от 14 до 17 лет – 470 г, взрослого – 500 г.

Минеральные соли не являются источниками энергии, но они необходимы для нормальной жизнедеятельности. Особенно велика у детей потребность в Са и Р для формирования костной ткани. Кальций влияет на возбудимость нервной системы, сократимость мышц, свертываемость крови, белковый и жировой обмен. Для нормального процесса окостенения также необходим фосфор. У детей дошкольного возраста отношение кальция и фосфора должно быть равным единице, в 8 –10 лет кальция требуется несколько меньше 1:5, в старшем школьном возрасте это соотношение становится равным 1:2. Фосфор нужен для роста костной ткани, нормального функционирования нервной системы, большинства желез. Количество ионов Na⁺, K⁺ и Cl^— в пище детей должно быть меньшим, чем в пище взрослого. Натрия дети должны получать 25— 40 мг в сутки, калия –12–30 мг, хлора –12–15 мг, взрослые соответственно - 60–80 мг, 60 мг и 100–120 мг. Железа в рационе ребенка должно быть больше, чем взрослого. Суточная потребность детей в нем составляет 1–1,2 мг на 1 кг массы тела, а у взрослых –0,9 мг. Растущий организм нуждается и в микроэлементах, многие из них участвуют в процессах кроветворения (медь, кобальт, молибден). Многие микроэлементы служат материалом для построения ферментов, гормонов, витаминов. Йод необходим для образования гормонов щитовидной железы, фтор - для правильного формирования ткани зубов.

Рост и развитие ребенка зависят от достаточного количества воды в организме, которое в свою очередь определяется возрастом, полом и упитанностью. В среднем в организме мужчины содержится больше воды, чем в организме женщины. У детей вода очень быстро перераспределяется между кровью и тканями, быстрее всасывается, накапливается и теряется. Чем младше ребенок, тем больше воды он должен получить на кг веса. У мальчиков потребность в воде больше, чем у девочек. Суточная потребность в воде (мл): у годовалых –800, 2–4 лет –950, 5–6 лет –1200, 7– 10 лет –1350, 11– 14 лет –1500, а старше –1500–2000.

Витамины – это низкомолекулярные органические соединения с высокой биологической активностью. Они необходимы для процессов роста, поддержания нормального кроветворения и половой функции, нормальной деятельности нервной, сердечно-сосудистой и пищеварительной систем, желез внутренней секреции, поддержания зрения и нормальных свойств кожи. Витаминам принадлежит важная роль в обеспечении иммунного ответа; функционирования систем метаболизма ксенобиотиков, формирования антиоксидантного потенциала организма и устойчивости человека к различным инфекциям, действию ядов, радиоактивного излучения. В основе высокой биологической активности витаминов лежит их участие в построении ферментных систем в качестве так называемых коферментов, т.е. низкомолекулярных небелковых веществ, которые образуют комплекс с белковой частью ферментов и непосредственно осуществляют химические реакции. Кроме того, ключевая функция витаминов заключается в их участии в построении и функционировании мембран клеток и клеточных органелл.

Витамины относятся к числу незаменимых (эссенциальных) факторов питания. Содержание витаминов в пищевых продуктах не превышает, как правило, 10-100 мг/100 г продукта. Недостаточное поступление витаминов с пищей или нарушение их усвоения приводит к возникновению витаминной недостаточности (авитаминозу, гиповитаминозу и субнормальной обеспеченности витаминами) Под авитаминозом понимают состояния практически полного истощения витамина в организме, возникновение характерного симптомокомплекса (заболевания). Под гиповитаминозом понимают состояния резкого (но не полного) снижения запасов витамина в организме, вызывающего появление нерезко выраженных общих и специфических микросимптомов витаминной недостаточности. Субнормальная обеспеченность витаминами представляет собой доклиническую стадию дефицита витаминов, характеризующуюся снижением устойчивости к инфекциям, ядам, физической и умственной работоспособности и т.п.

По химической природе витамины делятся на жирорастворимые и водорастворимые. Жирорастворимые витамины А, D, Е и К накапливаются в печени и жировой ткани, в больших количествах содержатся в рыбьем жире, в масле, сливках, в некоторых овощах, а также в икре осетровых (витамин Е). Водорастворимые витамины – витамин С и витамины группы В содержатся во фруктах, ягодах, овощах и зелени, пивных дрожжах (группа витаминов В), проростках злаков, не накапливаются в организме и выводятся из него в течение нескольких дней, поэтому их следует принимать ежедневно.

В белках, жирах и углеводах, поступающих в организм человека, в химических связях молекул аккумулирована энергия, используемая в процессе окисления прежде всего для синтеза АТФ, запасы которой в клетках невелики и должны постоянно пополняться. Запас энергии пищей называется калорийностью. Интенсивность энергообмена в организме определяется с помощью методов прямой и непрямой калориметрии, основанных на измерении тепла, выделяемого организмом в специальных камерах (калориметрах) и на основании изучения газообмена, потребляемого организмом кислорода и выделяемого углекислого газа с помощью газоанализаторов. Количество энергии, которое освобождается при поглощении 1 л кислорода, называется калорическим эквивалентом. Окислению углеводов, жиров и белков соответствуют следующие калорические эквиваленты: 5,05 ккал, 4,7 ккал и 4,85 ккал. Величину калорического эквивалента характеризует дыхательный коэффициент, определяемый отношением объема выдыхаемой углекислоты к объему поглощаемого кислорода (СО2/02). При окислении углеводов он равен 1,0, при окислении жиров – 0,7 и белков 0,8. Возможен вариант метода непрямой калоримметрии, когда учитывается калорийность потребляемой пищи и ведется наблюдение за массой тела, однако, при этот метод дает приблизительные результаты. Наряду с энерготратами на основной обмен, различают энерготраты на состояние относительного покоя и при различных видах труда: умственного (суточный расход энергии 2200-3000 ккал), механизированного – 2300-3200 ккал, частично механизированного – 2500-3400 ккал, немеханизированного, тяжелого труда – 3500-4000 ккал. При спортивной деятельности расход энергии составляет 4500-5000 ккал. Количество энергии, идущее на выполнение работы, называется коэффициентом полезного действия (КПД). У человека КПД не превышает 25 %.

Организм человека относится к теплокровным животным, (гомойотермным организмам), в отличие от холоднокровных животных (пойкилотермных организмов), температура тела которых зависит от температуры окружающей среды.

Температура тела человека характеризуется постоянством (изотермией), обеспечивающей оптимальный режим функционирования ферментов организма. Образование тепла в организме человека, как следует из вышеизложенного, происходит за счет расщепления химических соединений, поступающих в организм питательных веществ (первичное тепло) и в результате мышечной работы и расщепления АТФ (вторичное тепло), которые характеризуют суммарное теплообразование. Освободившаяся при этом энергия используется в разных фи­зиологических процессах (в первую очередь при мышечном со­кращении), а само трение мышечных волокон при сокращении дает также определенное количество теплоты. Постоянство температуры тела поддерживается за счет строго баланса теплопродукции и теплоотдачи.

Необходимо отметить, что поддержание постоянства температуры тела (изотермии) развивается не сразу. У детей механизмы терморегуляции неустойчивы, поэтому к детскому организму необходимо относится осторожно. Образующееся в глубоких частях тела («ядре») тепло током крови доставляется к его поверхностным тканям, коже («оболочке»). Кровь обладает большой теплоемкостью крови, что определяет доставку тепла от глубоких тканей организма к поверхностным тканям. Расширение сосудов кожи приводит к усилению теплоотдачи во внешнюю среду. Температура кожных покровов ниже, чем во внутренних органах (печени, мозге, почках). Обычно она измеряется медицинским термометром в подмышечной впадине после протирания ее от пота и составляет в среднем 36,6°С колеблясь за сутки от 36,4 до 37,0°С. Существуют контактные электротермометры, быстро измеряющие температуру тела. Температурный диапазон для организма человека составляет 24 - 43° С. Постоянство температуры тела сохраняется при условии равенства теплообразования и теплопотери, т.е. за счет терморегуляции, подразделяющейся на химические и физические механизмы. При очень низкой и высокой температуре, окружающей среды механизмы терморегуляции оказываются недостаточными. В этих случаях наблюдается резкое падение температуры тела (гипотермия) или повышение температуры (гипертермия). При переохлаждении тела происходит непроизвольное сокращение скелетной мускулатуры (холодовая дрожь). В данных условиях активируется симпатическая система, стимулирующая расщепление жиров и образование большого количества теплоты. Теплопродукции также способствуют гормоны коры надпочечников и щитовидной железы.

При повышении температуры окружающей среды до 30° С теплообразование все больше снижается в связи с изменением направления теплообмена. Отдача тепла организмом во внешнюю среду (физическая терморегуляция) осуществляется путем излучения (50-55 %), теплопроведения (15-20 %) и испарения (30 %). Теплопроведение происходит путем кондукции (при непосредственном контакте организма с другими физическими средами) и конвекции (за счет снятия с него тепла движущимся воздухом). Теплоотдача путем испарения – это способ рассеивания организмом тепла в окружающую среду за счет его затраты на испарение пота или влаги с поверхности кожи и слизистых дыхательных путей.

Восприятие и анализ температуры внешней среды осуществляется с помощью холодовых и тепловых рецепторов, которые имеются в коже, мышцах, сосудах, во внутренних органах, дыхательных путях, спинном и среднем мозге.

Центральный аппарат терморегуляции, располагающийся в передней и задней части гипоталамуса и ретикулярной формации среднего мозга, содержит термочувствительные нейроны переднего гипоталамуса, поддерживающие базальный уровень («установочную точку») температуры тела и эффекторные нейроны заднего гипоталамуса и среднего мозга, управляющие процессами теплопродукции и теплоотдачи. Важная роль в тероморегуляции принадлежит высшим отделам ЦНС – коре и ближайшим подкорковым центрам. Эмоциональное возбуждение, изменения в психическом состоянии оказывают существенное влияние на уровень теплообразования и теплоотдачи.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: