Обмен веществ и энергии - основа жизнедеятельности организма человека

Единство организма человека с внешней средой проявляется прежде всего в непрекращающемся обмене веществ и энергии. Под обменом веществ (метабобумом) принято понимать сложный постоянно протекающий, самосовершающийся и саморегулирующийся биохимический и энергетический процесс, связанный с поступлением в организм из окружающей среды различных питательных веществ, обеспечивающих постоянство химического состава и внутренних параметров организма, его жизнедеятельность, развитие и рост, размножение, способность к движению и адаптацию к изменяющимся условиям внешней окружающей среды.

Обмен веществ - это два взаимосвязанных противоположных процессов, протекающих одновременно, в результате которых происходит усвоение веществ, поступающих из окружающей среды и их биологическое превращение в потенциальную энергию (ассимиляция), а второй процесс, связанный с постоянным распадом веществ и выведение из организма продуктов распада (диссимиляция).

Эти процессы согласованы между собой и образуют целостную систему, обеспечивающую нормальную функциональную жизнедеятельность организма человека.

Процесс обмена веществ регулируется нервно-гуморальным (жидкостным) путем, то есть системой и железами внутренней секреции, усиливая или тормозя гормонообразование и поступление гормонов в кровь.

В обменных процессах участвуют белки, углеводы, жиры, вода и минеральные соли. Важная роль в этих процессах принадлежит также витаминам.

Так, например, на белковый обмен существенное влияние оказывает гормон щитовидной железы - тироксин; на углеводный обмен оказывает влияние гормон надпочечников - адреналин и гормон поджелудочной железы - инсулин; на жировой обмен влияют гормоны поджелудочной железы и щитовидной железы и др.

Общая интенсивность обменных процессов, в течение жизни меняется. Сразу после рождения человека скорость поступления в организм питательных веществ превышает скорость их распада. Это обеспечивает рост организма. К 17-19 годам различия в скорости процессов ассимиляции и диссимиляции постепенно сглаживаются, в организме к этому времени устанавливается динамическое равновесие между этими сторонами обменных процессов. С этого времени рост организма, по существу прекращается, но процесс ассимиляции все же преобладает. В возрасте от 25 до 60 лет в процессе обмена веществ наблюдается равновесие, при котором интенсивность процессов примерно равна. К старости в обменных процессах начинает преобладать диссимиляция, что приводит к снижению биосинтеза многих важнейших для жизнедеятельности организма веществ: .ферментов, структурных белков, легко доступных для использования источников энергии. Происходит снижение функциональных возможностей различных тканей, дистрофия мышц и снижение их силы, ухудшаются и качество нервной регуляции деятельности органов и систем организма.

Следует отметить, что на всех этапах жизни человека интенсивность обменных процессов достаточно высокая. Каждую секунду в организме разрушается огромное количество разных веществ и одновременно образуются новые вещества, необходимые организму. Так, например, в течение трех месяцев половина всех белков в организме обновляется. За пять лет учебы у студентов, например, ткань роговицы глаза обновляется 250 раз, а слизистая оболочка желудка до 500 раз.

Физическая тренировка может обеспечить некоторое преобладание процесса ассимиляции ряда веществ в организме над диссимиляцией, что приводит в конечном итоге к увеличению биосинтеза и накоплению сократительных белков, ферментов, энергетических субстратов и некоторых других веществ.

Качественно и количественно такие изменения зависят от величины и направленности физической нагрузки, методических особенностей самой тренировки и ряда других сопутствующих ей факторов.

При напряженной мышечной нагрузке резко возрастают энергозатраты организма и усиливается преобладание процесса диссимиляции. Из-за энергетического дефицита притормаживается активность процесса ассимиляции. Однако, после завершения физической работы происходит обратное переключение обмена на преимущественное обеспечение ассимиляционных процессов для восполнения истраченных энергетических субстратов, восстановления структурных белков и др. веществ, необходимых организму.

Общая интенсивность обменных процессов при этом возрастает, обеспечивая быструю обновляемостъ тканей, создавая предпосылки для повышенной функциональной активности. В этом заключается одна из важнейших сторон положительного влияния физических упражнений на организм человека во все периоды его жизни.

На интенсивность обменных процессов (ассимиляции и диссимиляции), кроме мышечной активности оказывают влияние и другие факторы: температура окружающей среды, температура самого организма, уровень солнечной радиации, ряд других физических факторов и экономических условий, качественный и количественный состав пищи и многое другое.

Обмен веществ между организмом и внешней средой сопровождается обменом энергии. Человек получает энергию с потребляемой пищей и тратит энергию на работу внутренних органов и систем, на физическую и умственную работу.

При обеспечении энергетического равновесия (баланса) создаются нормальные в физиологическом отношении условия развития организма.

Энергетический баланс бывает положительным и отрицательным. Положительный энергетический баланс в значительной степени влияет на появление у человека избыточной массы тела (ожирение), при положительном энергетическом балансе развиваются и прогрессируют атеросклероз, гипертония и др. болезни.

Отрицательный энергетический баланс рассматривается как единый комплекс калорийно-белковой недостаточности, влияющей на возникновение и развитие тяжелых заболеваний таких, как элементарная дистрофия, маразм и др.

Об энергетических затратах судят по основному обмену, то есть по тому минимальному количеству энергии, которое расходуется организмом для поддержания жизнедеятельности в состоянии мышечного покоя. В состоянии покоя затраты энергии у человека составляют почти 5,25 к Дж/мин (1,25 ккал/мин). Неизбежность таких значительных энергозатрат для поддержания жизнедеятельности человека связана с относительно низким КПД преобразования энергии в организме человека.

Энергетические затраты человека делят на: регулируемые, нерегулируемые.

Первые в зависимости от воли человека и условий трудовой деятельности (например, занятия ФК и спортом) могут увеличиваться или уменьшаться. Определяющими тут выступают объем и характер мышечной работы. Чем больше физические затраты, тем выше расход энергии

(в покое энергозатраты 18-19 кал/кг мин медленный бег 100-120

настольный теннис, бадминтон 70-80, 90-110

волейбол 50-100, футбол 120-150 (200)

баскетбол 150-170 кал/кг-мин.)

К нерегулируемым видам энергозатрат относятся:

- расход энергии на основной обмен и поддержание необходимых условий жизнеобеспечения систем кровообращения, дыхания, сердечно-сосудистой системы и др.

Энергия основного обмена является достаточно постоянной величиной и в тоже время индивидуальна для каждого человека. Суточная величина основного обмена взрослого человека среднего роста, средней массы (до 70 кг) составляет около 1700 ккал для мужчин, для женщин весом до 55 кг - 1400 ккал.

На величину основного обмена оказывает влияние состояние ЦНС и интенсивность функции эндокринной системы, пол, возраст человека. Величина основного обмена у женщин на 5-10 % ниже, чем у мужчин, у пожилых людей ниже на 10-15 %, чем у молодых, у детей выше, чем у взрослых. Прием пищи влияет на повышение расхода энергии, что в свою очередь, влияет на повышение основного обмена.

Для оценки энергетических затрат используются как лабораторные, так и расчетные методы. Широко используются прямой и косвенный методы калориметрии, а также метод суточного хронометража затрат энергии.

Классификация источников энергии в организме.

Как положительный, так и отрицательный энергетический баланс, оказывает влияние на физическое состояние организма, а энергетические затраты организма зависят от характера и интенсивности выполняемой физической работы. В реальных условиях для того, чтобы мышцы могли длительное время поддерживать свою сократительную способность необходимо постоянное восстановление источников энергии. В качестве основных источников энергии в человеческом организме используются белки, углеводы и жиры.

Белки - это органические вещества, состоящие из аминокислот, которые являются основным "строительным" материалом для всего живого. Наши кости, мышцы, кожа, кровь, лимфа, клетки, ткани - все содержат белок. Часть белков производится самим организмом, а часть поступает с пищей. Запасы белков необходимо пополнять ежедневно. Организму вполне достаточно 0,8 гр на 1 кг веса тела. Белки незаменимое вещество для роста и развития организма. Количественная достаточность и биологическая ценность белка в пищевом рационе человека создает оптимальную среду организма, необходимую для высокой функциональной способности всех систем организма для повышения общей работоспособности и устойчивости к болезням.

Белки обеспечивают структурное построение и функции ферменов и гормонов, связанных с ростом, развитием и регенерацией клеток и тканей организма, выполняют защитные функции.

Белки участвуют в энергетическом балансе организма. Они имеют особое значение, когда пища, которую мы употребляем, содержит недостаточное количество углеводов и жиров.

Пищевые белки бывают животного и растительного происхождения. Животные белки в большом количестве содержатся в мясе, рыбе, сыре, яйцах, молоке; растительные содержатся в сое, орехах, различных крупах. В идеале мы должны потреблять растительного белка столько же, сколько животного, т.е. организму необходимо равновесие аминокислот.

Белковая недостаточность приводит к ряду морфологических изменений и функциональных нарушений в большинстве систем организма. Так существенные нарушения возникают в эндокринной системе (гипофизе, надпочечниках), нарушение работы печени и др. систем.

Потребность в белке зависит от возраста, пола, характера трудовой деятельности, климатических и национальных особенностей и др.

К сожалению, большинство из нас потребляет белков больше, чем необходимо организму.

Повышают ли физические нагрузки потребности организма в белках? Да! Поскольку мышцы содержат белки и чем больше человек потребляет белков, тем мощнее станут его мышцы. Однако это не так. Только регунярные физические нагрузки могут увеличить объем мышц, их силу. Избыток в рационе питания белков отрицательно влияет на здоровье, повышая нагрузки на печень и почки. При больших физических нагрузках суточная потребность в белках возрастает до 170 грамм.

Углеводы

Это вещества, молекулы которых состоят из углерода, кислорода и водорода. Углеводы основная часть пищевого рациона. За счет углеводов обеспечивается около половины суточной энергетической нормы. Являясь основными поставщиками энергии, используемой в процессе мышечной деятельности, они в результате обмена веществ превращаются в глюкозу - важный энергетический источник для организма. глюкоза проходит через кровь и откладывается в форме гликогена в мышцах и печени. Углеводы играют важную роль в синтезе аминокислот, глюкопротинов и др. веществ.

Уровень глюкозы в крови ( то же самое, что и уровень сахара ) - это процентное содержание глюкозы в общем объеме крови носит название гликелия. Натощак он составляет 1 г. на 1 л. крови. Каждый грамм углеводов обеспечивает 4 ккал. энергии. Если углеводы (хлеб, мед, сладости, крупа и т.д.) потреблять натощак, то уровень сахара в крови сначала повысится (гипергликемия) в зависимости от типа углевода. Затем после того как поджелудочная железа выделила инсулин уровень сахара в крови падает, а затем возвращается к прежнему уровню (см. рис.).

 

 

Специалисты по питанию пришли к заключению, что углеводы надо подразделять по их так называемому гипергликемическому потенциалу, который определяется гликемическим индексом.

Гликемический индекс тем выше, чем выше гипергликемия. Чем сильнее гипергликемия определяемого вещества, тем больше гликемический индекс.

Отметим, что химическая обработка продуктов может привести к увеличению гликемического индекса (например, кукуруза - индекс 70, а кукурузные хлопья 85).

Существуют "плохие" углеводы, к ним относятся все, которые вызывают резкое повышение глюкозы в крови, что ведет к гипергликемии. В первую очередь это белый сахар, конфеты, пирожки. Иногда носят название "простые" углеводы. Они быстро усваиваются, заставляя поджелудочную железу выделять большое количество инсулина, который используется головным мозгом, почками, эритроцитами.

"Сложные" углеводы или "хорошие" расщепляются медленно, обеспечивая организм энергией длительное время. Кроме того они усваиваются частично, не вызывая значительного повышения сахара в крови. Это прежде всего фасоль, бобы, зелень, большинство фруктов и овощей.

При всех видах физического труда отмечается повышенная потребность в углеводах. Постоянство углеводов в организме достигается при условии достаточного их поступления в организм с пищей. Потребление углеводов в сутки составляет 400 - 500 г при усвояемости их от 85 до 98%. В организме углеводы накапливаются ограниченно и их запасы невелики. У глеводы тесно связаны с жировым обменом. Так при больших физических нагрузках, когда расход энергии не покрывается углеводами поступающими в организм с пищей, происходит образование углеводов (сахара) из жира организма. однако, чаще наблюдается обратное - за счет избыточного поступления в организм углеводов с пищей, образовываются жиры (липиды).

Жиры.

Жиры имеют сложные молекулы и в зависимости от происхождения делятся на две категории:

• растительные (ореховое, оливковое, маргарин и т.д.);
• животные жиры (в мясе, рыбе, масле, сыре, сливки).

В зависимости от химической формулы жиры можно подразделить на две группы:

• насыщенные (жидкие, маслянистые - подсолнечник и др.);
• полиненасыщенные (гусиный, рыбий жир и т.д.).

Липиды очень важны в питании, т.к. обладают высокой энергетической ценностью и в тоже время выполняют такие функции как:

• предохраняют организм от потери тепла;
• предохраняют внутренние органы брюшной полости от механических повреждений;
• покрывая поверхность кожи, предохраняют ее от высыхания и излишнего смачивания при соприкосновении с водой;
• растворяют содержащиеся в организме витамины А, Е, Д, К, синтезируя различные гормоны и способствуют ух усвоению.

Жиры, как энергетический материал, в обычных условиях используются только сердечной мышцей, 67 % потребляемого кислорода расходуется на окисление жировых кислот тканей. Жиры фактор сбережения белка в организме. Недостаточное поступление жира в организм может привести к нарушению ЦНС, к ослаблению иммунологических механизмов организма. Не потребление жиров может привести к заболеванию сердца. Средняя потребность взрослого человека в жирах составляет 80-100 г. в сутки, в том числе растительного масла 25-30 г.

Когда жиры (липиды) перемешиваются с "плохими" углеводами, обмен веществ нарушается, в результате чего большая часть липидов откладывается в организме в виде жира. Некоторые липиды несут прямую ответственность за повышение уровня холестерина в крови, способствуя образованию холестериновых бляшек в артериях.

Нормирование жиров происходит, обычно, с учетом возраста, пола, характера деятельности, национальных и климатических особенностей. Так на севере жиры составляют 35-40 %, на юге 25-30 % от общего энергетического рациона.

Регулярные активные занятия физическими упражнениями и спортом, особенно циклическими видами (ходьба на лыжах, бег, плавание и др.) активизируют обмен жиров в организме, не давая возможности накаплваться излишнему количеству жировой ткани. Однако чаще наблюдается обратное - за счет избыточного поступления в организм углеводов с пищей, образовываются жиры.

Витамины.

Низкомолекулярные соединения органической природы не синтезируемые в организме человека, поступающие извне в составе пищи, не обладающие энергетическими и пластическими свойствами, проявляют биологическое действие в малых дозах.

В основу классификации витаминов положен принцип растворимости их в воде и в жире. Витамины делятся на две большие группы:

• водорастворимые - витамины группы В и С,
• жирорастворимые - витамины группы А, Д, Е, К, F.

Основное назначение - участие в образовании ферментных систем.

Минеральные элементы.

Физиологическое значение минеральных элементов в основном определяется их участием в:

• формировании структуры и функциях ферментных систем и их элементов;
• построении пластических процессов при формировании тканей, особенно костной;
• поддержании кислотно-щелочного баланса организма;
• поддержании нормального солевого баланса крови;
• нормализации водно-солевого обмена.

Физиологическое влияние минеральных элементов значительно шире их биологического действия.

Минеральные элементы классифицируются на:

• элементы щелочного характера (катионы) - кальций, магний, калий, натрий;
• элементы кислотного характеры (анионы) - фосфор, хлор, сера;
• биомикроэлементы - железо, медь, кобальт, фтор, цинк, марганец, никель, стронций и др.

Биологическая роль кальция многообразен. Кальций основной структурный компонент при формировании опорных тканей и костей. В костях скелета 99 % кальция от общего числа в организме. Кальций участвует в свертывании крови. Источник кальция -молоко и молочные продукты - творог. Магний обладает сосудисторасширяющими и антисептическими свойствами, стимулирует перестальтику кишечника. Соли натрия активизируют водный обмен, присутствуют в лимфе и сыворотке крови. Калий усиливает выведение натрия из организма. Калием богаты сухие фрукты (курага, абрикосы и персики).

Элементы кислотного характера представлены в продуктах живого происхождения (мясо, рыба, яйца, хлеб). Физиологическое значение и биологическая роль:

фосфора - важная роль в обменных процессах и работе ЦНС;

хлор - в регуляции осмотического давления в клетках и тканях, в нормализации водного обмена, снижает потоотделение и др. функции;

железо - кроветворный элемент;

медь - участвует в синтезе гемоглобина (кроветворный элемент);

кобальт - активизирует процессы образования эритроцитов и гемоглобина,

Составной частью всех клеток тканей - вода. Она входит в состав крови, лимфы, тканевой жидкости. В теле взрослого человека вода составляет 65 % веса тела.

На количество воды в организме влияют катионы некоторых солей (натрий, кальций)

натрий - задерживает воду в организме

кальций - усиливает ее выделение.

Как люди утоляют жажду?

Пьют - потеют - снова пьют. Закончится, это может, в конечном счете, трагически. Развивается так называемая "питьевая болезнь" с мучительными болями в животе.

Происходит разбавление желудочного сока снижая антимикробное действие. Это одна из причин желудочных заболеваний в летнее время.

Не следует утолять жажду большими глотками:

• это вызывает обильное потоотделение (~ 12 л) в сутки.
• влияет на почки и сердце и потерю хлористого натрия.

Баланс воды при физической нагрузке.

Физическая нагрузка ускоряет потери воды. С повышением температуры тела усиливается процесс потоотделения, направленный на предотвращение перегрева организма. одновременно вследствие усиленного окислительного метаболизма образуется больше воды. В течении 1 ч. интенсивной тренировки человек с массой тела 70 кг усваивает 245г. углеводов. Это обеспечивает образование около 146 мл. воды, потери же воды с потом могут превысить 1500 мл., т.е. в 10 раз больше.

Количество образующееся во время физической нагрузки пота зависит от температуры окружающей среды, размеров тела и интенсивности метаболизма.

В состоянии покоя содержание воды в организме человека практически постоянно (потребление и выделение ее равны).

Ежедневное потребление воды (из всех источников) составляет в среднем 33 мл/кг массы тела. Тогда человек с массой тела 70 кг. количество воды составляет 2,31 л в день.

Потери воды осуществляются за счет:

• испарения с поверхности кожи;
• испарения из дыхательных путей;
• выделение из почек;
• выделение из толстой кишки.

Вода дифилирует к поверхности кожи и испаряется в окружающую среду. Газы, которыми мы дышим постоянно увлажняются. Это потери воды, которые мы ощущаем.