Термодинамика живых систем

В основе процессов обмена энергии лежат законы термодинамики – взаимных превращений различных видов энергии при переходах ее от одних тел к другим в форме теплоты или работы.

С точки зрения термодинамики живые организмы относятся к открытым стационарным неравновесным системам. Это означает, что:

- они обмениваются с окружающей средой веществом и энергией;

- способны в течение определенного времени удерживать свои основные параметры, но вместе с тем под влиянием внешней среды переходить из одного стационарного состояния в другое в пределах колебаний жизненно важных констант, допустимых для сохранения жизни;

- благодаря наличию в организме множества градиентов (диффузные, температурные) и потенциалов (химические, электрические) и возникающих вследствие их действия потоков (диффузионные, тепловые, метаболические, энергетические) создаются условия для неравновесного распределения вещества и энергии между живыми системами и окружающей средой.

Принцип устойчивого неравновесия живых системгласит:

«Живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии».

 

 

Лекция 10.

Процесс переваривания белков, жиров, углеводов в различных отделах пищеварительного тракта выглядит следующим образом.

В желудке пищевые вещества почти не всасываются. Всасывание пищевых веществ происходит в тонких кишках с помощью ворсинок и микроворсинок. Всасывание осуществляется путем фильтрации, диффузии и разности осмотических давлений. Аминокислоты и моносахариды всасываются в кровь. Всасыванию жирных кислот способствует реакция их со щелочами и желчными кислотами, причем образуются вещества, растворимые в воде. После всасывания жирные кислоты соединяются с всосавшимся глицерином и образуют жир, который сначала направляется в лимфу, а затем в кровь.

 

Переваривание белков, жиров и углеводов в пищеварительном тракте

 

Отдел пищеварительного тракта	Перевариваемый субстрат	Фермент	Продукты переваривания
Переваривание белков
Ротовая полость	-	-	-
Желудок	белки	пепсин, гастриксин	пептоны и альбумозы
Двенадцатиперстная кишка	белки, пептоны, альбумозы	трипсин, химотрипсин	полипептиды
Отделы тонкого кишечника	полипептиды	полипептидазы	дипептиды
Другие отделы тонкого кишечника	дипептиды	дипептидазы	аминокислоты
Переваривание жиров
Ротовая полость	-	-	-
Желудок	эмульгированные жиры	липаза	глицерин, жирные кислоты, моноглицериды
Тонкий кишечник	жиры, эмульгируемые желчью	липаза	глицерин, жирные кислоты, моноглицериды
Переваривание у глеводов
Ротовая полость	крахмал	амилаза или птиалин	мальтоза
Ротовая полость	мальтоза	мальтаза	глюкоза
Желудок	-	-	-
Тонкий кишечник	крахмал	амилаза	мальтоза
мальтоза	мальтаза	глюкоза
сахароза	сахараза	глюкоза и фруктоза
лактоза	лактаза	глюкоза и галактоза

 

Большинство минеральных солей (кроме сульфатов) быстро всасываются в кишечнике и разносятся кровью по всему организму. Вода всасывается в желудке, тонком и особенно толстом кишечнике. Установлено, что усвояемость белков в среднем составляет 84,5%, жиров — 94% и углеводов — 95,6%.

Лекция 11-12.

Рациональное питание и физиологические основы его организации.

Питание является жизненно необходимым процессом. Его недостаток вызывает серьезные нарушения в организме, которые приводят к снижению работоспособности, ослаблению сопротивляемости к инфекциям, преждевременному старению и т.д. Способность организма в течение долгого времени сохранять целостность обеспечивается сложной системой регуляции, координирующей деятельность всех органов и их систем. Каждый организм может существовать только при определенных условиях окружающей его среды. Жизнедеятельность организма зависит от многочисленных условий внешней среды и постоянно сопровождается большими затратами энергии и синтезом новых веществ. В организме происходит сложный процесс превращения веществ, который обеспечивает рост, развитие, деятельность и жизнь в целом — обмен веществ, протекающий непрерывно во всех органах, тканях, клетках и системах. Обмен веществ состоит из двух взаимосвязанных, но противоположных процессов: первый — ассимиляция, т.е. реакции, связанные с синтезом необходимых веществ, их усвоением и использованием для роста, развития и жизнедеятельности организма; второй — диссимиляция, т.е. реакции, связанные с распадом веществ, их окислением и выделением из организма продуктов распада.

Все процессы ассимиляции и роста возможны только в том случае, если в организм регулярно поступают питательные вещества, являющиеся пластическим материалом, из которого организм синтезирует живую ткань.

Значение питательных веществ не исчерпывается их использованием как строительного материала, они играют важную роль и как источники энергии. Человек живет, двигается, занимается физическим и умственным трудом, и вся его деятельность сопровождается расходованием энергии. Следовательно, для сохранения жизни необходимо постоянное поступление определенного количества питательных веществ.

Пренебрежительное отношение к питанию, к интересам собственного здоровья нередко заканчивается печально. В одних случаях оно приводит к трудно излечимому ожирению, в других — к гастриту, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, холециститу, панкреатиту и др. К сожалению, только серьезное заболевание вынуждает нас обратить внимание на то, что мы едим и как мы едим. С помощью грамотно составленного рациона питания можно отдалить болезни, особенно в пожилом возрасте, а нередко вообще избежать их появления.

По оценкам ученых-медиков и специалистов по питанию, воплощение в жизнь людей принципов здорового питания позволило бы снизить смертность от сердечно-сосудистых заболеваний на 25%, от рака — на 20-30%, от диабета — на 50%. Удалось бы достичь значительных успехов в преодолении таких недугов, как анемия, пищевая аллергия, алкоголизм, поражение зубов, суставов и костей и т.д.

Многие наши современники, будучи людьми образованными и культурными, оказываются удивительно неосведомленными в вопросах питания. Они не знают, сколько, чего, когда и даже как есть,имеют случайное представление о химическом составе продуктов, их свойствах и почти ничего не знают о воздействии того или иного продукта на человеческий организм.

Слово "питание" может иметь различные значения. Чаще мы применяем его для обозначения акта приема пищи. В более широком смысле под питанием подразумеваются все явления, процессы и предметы, имеющие отношение к пище и ее потреблению.

Нутрициология (от лат. nutritio — питание) — это наука о пище, пищевых и других компонентах продуктов питания, об их действии и взаимодействии, роли в поддержании здоровья или возникновении заболеваний, о процессах потребления, усвоения, переноса, утилизации, выведения из организма пищевых веществ. Кроме того, наука о питании изучает, по каким мотивам человек выбирает пищу и как этот выбор влияет на его здоровье.

Все пищевые вещества продуктов подразделяются на макро- и микронутриенты. К макронутриентам (от греч. makros — большой), или основным пищевым веществам, относятся белки, жиры и углеводы.

Эти вещества нужны человеку в довольно большом количестве. Они называются основными потому, что при их окислении выделяется энергия для осуществления всех функций организма.

Микронутриенты (от греч. mikros — малый) — витамины, минеральные вещества — нужны человеку в очень малых количествах; они не являются источниками энергии, но участвуют в усвоении энергии пищи, в регуляции процессов роста и развития организма.

Среди пищевых веществ есть такие, которые не образуются в организме. Они относятся к незаменимым и обязательно должны поступать с пищей. Отсутствие в пище любого из незаменимых веществ приводит к заболеваниям, а при длительном недостатке — к смерти. Науке о питании известны 46 незаменимых пищевых веществ: углеводы — глюкоза; жиры — линолевая кислота, линоленовая кислота; аминокислоты — лейцин, изолейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, валин, гистидин; минеральные вещества — кальций, фосфор, натрий, калий, сера, хлор, магний, железо, селен, цинк, марганец, медь, кобальт, молибден, йод, хром, ванадий, олово, никель, кремний; витамины — А, Д, Е, К, В₁, В₂, РР, биотин, фолацин, В₆, В₁₂, пантотеновая кислота, С; вода.

Остальные пищевые вещества заменимые, т.е. могут образовываться в нашем организме из незаменимых, имеющихся в достатке. Однако заменимые пищевые вещества служат источниками энергии и также должны поступать с пищей в определенных количествах.

Тело человека строится из тех же веществ, которые поступают с пищей — белков, жиров, углеводов, витаминов, воды и минеральных элементов. В нашем организме имеется некоторый резерв всех пищевых веществ, но запасы и длительность их сохранения сильно различаются. Дольше всех, почти 7 лет, сохраняется в костях кальций; витамины истощаются за несколько месяцев (витамин С — 50 - 120 сут.; РР — 60 - 180 сут.; B₁ — 30 - 50 сут.); запаса воды хватает только на 4 сут.

Истощение запасов какого-либо пищевого вещества прицедит к развитию состояния недостаточности питания. Кроме того, пища может быть нездоровой, т.е. хотя по энергетической ценности она соответствует потребностям организма, пищевые вещества поступают в неправильных соотношениях.

В науке о питании одной из главных задач считается разработка основ и принципов рационального питания населения, в наибольшей степени соответствующего потребности им организма в данных условиях жизни и деятельности.

Рациональное питание (от лат. rationalis — разумный) — это физиологически полноценное питание здоровых людей с и том их пола, возраста, характера труда и других факторов такое питание способствует нормальному развитию организма, сохранению здоровья, высокой умственной и физикой работоспособности, повышению сопротивляемости вредным факторам окружающей среды, активному долголетию.

Пищевой рацион должен содержать оптимальные количества сбалансированных между собой питательных веществ, т.е. иметь надлежащий химический состав.

В концепции сбалансированного питания получили отражение современные представления о качественных и количественных потребностях человеческого организма в пищевых веществах. Согласно этой концепции для осуществления нормальной жизнедеятельности организм человека нуждается не в конкретных продуктах питания, а в необходимых количествах энергии и определенных комплексах пищевых веществ, входящих в эти продукты: белках, жирах, углеводах, минеральных солях, микроэлементах, витаминах, многие из которых являются незаменимыми.

Очень важно обеспечить поступление в организм необходимых веществ в оптимальном количестве и в нужное время. С этой целью необходимо соблюдение трех основных принципов питания: равновесие между поступающей с пищей энергией и энергией, расходуемой человеком во время жизнедеятельности, т.е. баланс энергии; удовлетворение потребности организма в определенном количестве и соотношении пищевых веществ; соблюдение режима питания.

Важнейшей и преобладающей частью затрат энергии является так называемая величина основного обмена (BOO), на нее приходится 60 - 70% всей энергии. Это минимальная энергия, необходимая для осуществления дыхания, кровообращения, работы желез внутренней секреции, выделительных функций, сохранения тонуса мускулатуры, деятельности нервной системы и других жизненно важных процессов. Энергозатраты выражаются в количестве килокалорий (ккал) на 1 кг массы тела или в суммарном их количестве в сутки для индивидуума. При нормальном телосложении BOO у мужчин равна 1 ккал/ч в пересчете на 1 кг массы тела, у женщин — 0,9 ккал/ч. Величина основного обмена довольно постоянная для конкретного человека и зависит в первую очередь от массы и состава тела. Потребность в энергии тем выше, чем больше масса мышц; человеку с преобладанием жировой ткани или костей энергии, наоборот, нужно меньше. У физически тренированных людей более интенсивный основной обмен по сравнению с малоподвижными при одинаковой общей массе тела. К старости BOO снижается, поскольку уменьшается доля мышечной массы тела. Снижение BOO является причиной сокращения энерготрат и потребности в энергии у людей среднего и пожилого возраста, что часто приводит к избыточной массе тела и ожирению. Гормоны щитовидной железы и надпочечников оказывают мощный стимулирующий эффект на BOO. Основной обмен может быть снижен при гипотиреоидизме на 30%, а при тиреотоксикозе, наоборот, повышен на 50 - 75%. Больным с повышенной температурой требуется больше энергии; BOO с повышением температуры тела на 1 С возрастает на 13—15%. Минимальный BOO наблюдается при температуре окружающей среды 26°С.

Важной составной частью общих затрат энергии человека является физическая работа. Для поддержания здоровья и хорошего самочувствия необходимо, чтобы на физическую активность затрачивалось не менее 1/3 всей энергии. Интенсивность энергозатрат оценивается по соотношению энергозатрат при выполнении конкретной работы и величины основного обмена. Коэффициент физической активности (КФА) показывает, во сколько раз энергозатраты на данный вид работы превышают BOO.

Энергозатраты на физическую работу, в отличие от затрат на BOO, относятся к регулируемым.

Сбалансированное питание предусматривает оптимальное для организма человека соотношение в суточном рационе белков, аминокислот, жиров, жирных кислот, углеводов, витаминов, минеральных веществ.

Согласно формуле сбалансированного питания соотношение белков, жиров и углеводов должно составлять1:1:4. При этом количество белков в составе рациона равняется 11 - 13% суточной энергоценности, жиров — в среднем 33%, углеводов - около 55%.

В общем количестве потребляемых в сутки белков половину должны составлять белки животного происхождения как лучше усвояемые по сравнению с растительными; они содержат больше незаменимых аминокислот. Особенно ценны такие пищевые продукты, как мясо, рыба, яйца, молоко, характеризующиеся наиболее благоприятным соотношением аминокислот. При этом наибольшее значение имеют такие источники белков, которые не отличаются высокой энергоценностью: белок яйца, нежирная рыба, нежирная телятина или говядина, мясо кролика, куриное мясо, нежирный творог, а из растительных продуктов — салат, капуста, баклажаны и др. Рекомендуется употреблять животные и растительные белки вместе (мясо с овощным гарниром), так как при этом они лучше усваиваются и используются организмом. Важное значение имеет сбалансированность незаменимых аминокислот, в особенности триптофана, метионина и лизина. Наибольшее количество метионина содержится в твороге, курином мясе, горохе, фасоли, сое; лизина — в мясе, рыбе, твороге, яйцах; триптофана — в мясе, молоке, зерновых продуктах.

Чтобы организм был обеспечен полиненасыщенными жирными кислотами, около 30% жиров должно поступать в неге в виде растительных масел.

Из общего количества углеводов 75% отводится на крахмал, 20% — на сахар, 3% — на пектиновые вещества и 2% — на пищевые волокна.

Люди потребляют самые разнообразные продукты. Пища младенца и старика, здоровых и больных людей, а также набор продуктов у разных народов могут очень отличаться. Из чего бы ни состояли рационы питания, они оцениваются, как было показано выше, одним общим свойством — калорийностью. Но каждый продукт имеет присущий ему химический состав, который оказывает определенное воздействие на организм. Если бы организму была необходима только энергия, то эту потребность можно было обеспечить любой монодиетой (крахмал, сахар). Но хорошо известно, что это очень опасно для здоровья и жизни человека.

Пища должна быть разнообразной, чтобы обеспечить организм очень многими необходимыми ему биологически активными веществами.

Какой же обобщающей величиной, свойством или показателем, наподобие категории энергии, можно выразить потребность организма в различных биологически активных веществах?

Взаимодействие человека с природой всегда видели только в постоянном обмене веществом и энергией. С кибернетических же представлений между человеком и природной средой происходит обмен веществом, энергией и информацией. Из этой позиции вытекает новый взгляд на обмен веществ. Австралийский ученый Э. Шредингер в своей книге "Что такое жизнь с точки зрения физика" считает ошибочным мнение, что мы питаемся энергией, ибо во взрослом организме содержание энергии так же постоянно, как и содержание материи. По его мнению, драгоценным нечто, содержащимся в нашей пище, что предохраняет нас от смерти, является отрицательная энтропия (количество информации) — то, чем питается организм. Ряд ученых считают, что структурная информация сыграла огромную роль в процессе создания человека. Они указывают на то, какое большое влияние имело проникновение в организм человека огромного количества разнообразных веществ, создавших биохимические условия для формирования человека. Таким образом, из сказанного следует, что чем сложнее состав той или иной пищи, тем более ценным является его структурная информация.

В стране разработаны и утверждены нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения: детей и подростков, взрослых людей работоспособного возраста, пожилых людей.

Нормы для взрослого работоспособного населения дифференцированы в зависимости от энергозатрат, которые связаны со степенью тяжести физического труда.

Выделены пять групп людей в зависимости от интенсивности труда:

I группа — работники преимущественно умственного труда;

II группа — работники, занятые легким физическим трудом;

III группа — работники среднего по тяжести труда;

IV группа — работники тяжелого физического труда;

V группа — работники, занятые особо тяжелым физическим трудом (горнорабочие, вальщики леса, бетонщики, грузчики и др.).

Энергетическая ценность пищи рассчитывается по процентному содержанию в ней углеводов, жиров и белков и коэффициентам их физиологической энергетической ценности.

Химический состав и энергетическая ценность основных продуктов питания представлена в приложении.

В понятие "режим питания" входят: количество и время приема пищи в течение суток; распределение суточного рациона по его энергоценности, химическому составу, продуктовому набору и массе на завтрак, обед и т.д.; интервалы между едой и, наконец, затрачиваемое на нее время.

Важную роль в поддержании нормальной жизнедеятельности организма и его здоровья играет ритм питания. Организм человека устроен так, что в определенное время весь пищеварительный тракт подготавливает себя к приему пищи и сигнализирует об этом. Если по каким-либо причинам очередной прием пищи не состоялся, организм вынужден перестраиваться, что ведет за собой негативные последствия. Во время, отведенное для еды, в желудок начинает поступать желудочный сок, обладающий большой переваривающей способностью, и, если в это время никакой пищи в желудке нет, выделяемый сок начинает действовать на стенки желудка и двенадцатиперстной кишки. Частые нарушения режима питания приводят к образованию язв, гастритов и другим заболеваниям желудочно-кишечного тракта.

Питание человека регулируется центральной нервной системой. Этим ведает так называемый пищевой центр (центр аппетита) в головном мозгу. Для нормальной работы этого центра исключительно важен правильный режим питания. Поэтому принимать пищу надо определенное количество раз в течение суток и через определенные, строго установленные промежутки времени, по возможности правильно распределяя пищу на каждый из приемов (по объему, калорийности, составу пищевых веществ).

У человека, привыкшего к выработанному режиму питания, в определенное время возникает чувство голода, появляется аппетит. Как повышенный, не вызываемый физиологической необходимостью аппетит, так и его отсутствие — это болезненное состояние, чаще всего вызываемое систематическим нарушением основных правил питания. Нормальный пищевой рефлекс вырабатывается с детства, когда формируется организм и закладываются привычки питания.

Вопрос о том, сколько раз есть в сутки, с какими промежутками и какой калорийности — важнейшая проблема. Ученые убедительно доказали, что одноразовое питание вообще неприемлемо — весь организм человека находится в напряжении, особенно нервная система. При двухразовом питании человек также испытывает голод, а усвояемость белка составляет не более 75% от поступившего в организм. Во время трехразового питания человек ощущает себя лучше, появляется нормальный аппетит, белок усваивается на 85%. При четырехразовом питании самочувствие человека наилучшее, а усвояемость белка не изменяется. Физиологи установили, что при пяти- и шестиразовом питании аппетит ухудшается и в некоторых случаях усвояемость белка снижается.

Таким образом, для здорового человека наиболее рационально есть 4 раза в день; допустимо и трехразовое питание. Лечебное питание (при ожирении, гастрите, колите и др.), диету и режим питания необходимо согласовывать с лечащим врачом.

Говоря об интервалах между приемами пищи, необходимо знать, что идеальным, с физиологической точки зрения, является очередной прием пищи только тогда, когда закончится переваривание ее, съеденной в предыдущий прием. Это объясняется тем, что пищеварительные органы, как и веяние другие, нуждаются в периодах покоя. Кроме того, пищеварение оказывает существенное воздействие на все процессы, происходящие в организме, в том числе и на деятельность центральной нервной системы. Очень важным является и то, что у привыкшего к размеренному питанию человека именно в нужное время появляется нормальный аппетит, Установлено, что при нормальной работе желудка и других органов пищеварения процесс переваривания пищи длится около 4 ч. К концу этого периода пищевой центр приходит в нормальное состояние и вновь появляется аппетит. Если систематически запаздывать с едой или есть на полный желудок, нормальная деятельность пищеварительных желез нарушается, пищеварение расстраивается. Промежуток между приемами пищи во время ночного сна не должен превышать 10—11 ч. Между небольшими приемами пищи интервалы могут быть и более короткими (2-3 ч), но не ранее двух часов.

Доказано, что нарушение режима питания способствует развитию атеросклероза, особенно в среднем и пожилом возрастах, а также увеличению массы тела, в том число у детей и подростков.

Режим питания зависит от характера трудовой деятельности, занятий спортом, чередования труда и отдыха в течение суток.

В среднем у взрослых людей при четырехкратном приеме пищи первый завтрак должен удовлетворять по составу 20-25% суточной потребности в нутриентах, второй завтрак (полдник) — 10 - 15, обед — 40 - 45, ужин — 20 - 25%. При трехразовом питании завтрак должен обеспечить 20 - 30% суточного рациона, обед — 45 - 50, ужин — 20 - 25%.

Усвоению пищи способствует правильная последовательность потребления соответствующих блюд. Наиболее целесообразен следующий порядок, установленный веками, например, для обеда — сначала закуска или салат, затем первое жидкое блюдо. Они содержат вещества, возбуждающие аппетит, и, следовательно, секрецию пищеварительных соков. Второе блюдо должно являться основным источником пластических и энергетических ресурсов, которые попадают в уже подготовленные пищеварительные органы. Третье блюдо — сладкое — больше для удовольствия. Каждый основной прием пищи (завтрак, обед, ужин) должен быть сбалансирован по всем незаменимым пищевым веществам. Для физиологического эффекта пищи, потребляемой в разное время суток, имеет значение также технологическая обработка сырья. Поскольку жареные блюда (порционное мясо) дольше задерживаются в желудке, их следует потреблять во время завтрака или обеда, но не включать в меню ужина.

Первые (жидкие) блюда должны входить в дневной рацион лишь один раз — во время обеда в количестве 250 - 500 г. Завтрак перед работой необходим. Установлено, что негативные факторы (в том числе и производственного характера) сильнее влияют на человека, приступившего к работе натощак.

Утром после сна аппетит часто понижен, а поэтому целесообразно начинать завтрак с закуски, салата, возбуждающих секрецию пищеварительных соков; затем должно следовать блюдо, являющееся основным источником энергии и незаменимых пищевых веществ. Заканчивать завтрак необходимо тонизирующим напитком — чай, какао, кофе (умеренной крепости).

Обед должен состоять из блюд, состав которых может обеспечить компенсацию энергозатрат, произведенных за время трудовой деятельности.

В меню ужина следует включать легко переваривающиеся блюда из рыбы, молочных продуктов, яиц, а также напитки, не возбуждающие нервную систему. Особенно важно не потреблять во время ужина очень жирную пищу. Поскольку жиры перевариваются медленно, поступление образующихся из них веществ в кровь происходит уже во время сна. В результате этого ухудшается снабжение тканей организма кислородом, ускоряется свертывание крови, образуются тромбы, затрудняющие кровоснабжение различных органов. Установлено, что по этой причине обострение заболеваний сердца и паралича мозговых центров происходит в ночное время.

Ужин следует потреблять не позже чем за 2 - 3 ч до сна.

Объем принимаемой пищи зависит от индивидуальных потребностей организма, однако в среднем он составляет 2,5 - 3,5 кг в сутки. Никогда не следует наедаться до чувства тяжести в области желудка.

Первые блюда и горячие напитки должны иметь температуру 60°С, вторые - 55°С, холодные закуски - 14°С. Пища температуры свыше 60°С может вызвать раздражение слизистой оболочки желудка. Резко охлажденные напитки приятны, но плохо утоляют жажду и вредны, поскольку нарушают нормальную работу пищеварительных желез и могут способствовать возникновению простудных заболеваний.

Суточные потребность человека в пищевых веществах и нормы пищевых веществ и калорийности приведены соответственно в таблицах ниже.

 

 

Лекция 13.

Значение белков, жиров и углеводов в питании здорового и больного человека