Вікова фізіологія з основами шкільної гігієни

8.2. Обмін речовин та енергії. Значення вітамінів

Життєдіяльність організму забезпечується постійним обміном речовин шляхом перетворення потенціальної хімічної енергії їжі в результаті її обробки в шлунково-кишковому тракті на кінетичну, передусім – теплову, механічну, електричну. За походженням хімічна енергія – це енергія сонця (первинна енергія), яка накопичується в рослинах у вигляді потенціальної енергії макроергічних зв´язків у процесах фотосинтезу.

Обмін речовин та енергії – це сукупність хімічних, фізичних і фізіологічних процесів перетворення речовин та енергії організмі людини, їх обмін між організмом та навколишнім середовищем.

Для підтримки процесів життєдіяльності обмін речовин та енергії забезпечує пластичні й енергетичні потреби організму.

В обміні речовин (метаболізмі) та енергії виділяють два взаємопов´язаних, але різнонаправлених процеси: анаболізм, основу якого складають процеси асиміляції, і катаболізм, в основі якого лежать процеси дисиміляції.

Асиміляцією називається процес засвоєння речовин із зовнішнього середовища і утворення з них більш складних, властивих організму органічних речовин (на рівні клітини цей процес називають анаболізмом). Асиміляція відбувається з поглинанням енергії, забезпечує ріст, розвиток, оновлення біологічних структур, а також безперервний ресинтез макроергів і накопичення енергетичних субстратів.

Дисиміляція – процес розпаду і окислення складних речовин до більш простих із виділенням енергії (на рівні клітини цей процес називається катаболізмом). У живому організмі обидва процеси протікають паралельно і невіддільні один від одного. Під час асиміляції поглинається частина енергії, що виділилась внаслідок дисиміляції. З іншого боку, в ході дисиміляції розпадаються ті речовини, що утворились під час асиміляції. Енергія, яка звільняється під час дисиміляції, забезпечує всі прояви життєдіяльності.

Під обміном речовин розуміють сукупність процесів асиміляції та дисиміляції, що відбуваються з речовинами від моменту їх надходження до організму з навколишнього середовища до моменту утворення кінцевих продуктів розпаду і виведення їх з організму.

Етапи обміну речовин:

І етап – травлення: розщеплення у шлунково-кишковому тракті під дією травних ферментів складних молекул поживних речовин до простих.

ІІ етап – всмоктування в кишечнику та надходження у кров і лімфу, рознесення по організму простих молекул поживних речовин, а також кисню, вітамінів, мінеральних солей і води.

ІІІ етап – побудова клітинними структурами з простих речовин, що надійшли в клітину, складних молекул, потрібних даному організмові.

ІV етап – розщеплення синтезованих складних сполук, вивільнення при цьому енергії та утворення проміжних продуктів обміну речовин.

V етап – використання енергії АТФ на виконання різноманітних функцій організму й виведення з нього кінцевих продуктів обміну.

Кінцевою метою обміну речовин та енергії є збереження гомеостазу – тобто умов, необхідних для життя.

Забезпечення енергією процесів життєдіяльності здійснюється за рахунок анаеробного й аеробного катаболізму речовин, що поступають в організм з їжею білків, жирів і вуглеводів. У ході анаеробного зброджування глюкози (гліколіз) або глікогену (глікогеноліз) перетворення 1моля глюкози в 2моля лактату приводить до утворення 2моля АТФ (С6Н12О6→2С3Н6О3+2АТФ). Цього явно недостатньо для процесів життєдіяльності і процеси анаеробного гліколізу можуть задовольняти лише короткочасні обмежені потреби клітини (наприклад, еритроцитів).

При аеробному катаболізмі розщеплюються всі органічні речовини, а саме продукти анаеробного обміну до кінцевих речовин: С6Н12О6+ 6О2→ 6СО2 + 6Н2О + 25,5 АТФ.

Загальна кількість молекул АТФ під час повного окислення 1моля глюкози до СО2 і Н2О складає 25,5молей, приблизно стільки ж утворюється енергії під час окислення білків, а під час окислення жирів енергії утворюється значно більше. Так, під час повного окислення 1моля пальмітинової кислоти утворюється 91,8молей АТФ.

Основним джерелом енергії відновлення для реакції біосинтезу жирних кислот, холестерину, амінокислот, стероїдних гормонів, попередників синтезу нуклеотидів і нуклеїнових кислот є НАДФ-Н (нікотин-амідаденін-динуклеотифосфат). Його утворення відбувається в цитоплазмі клітини у процесі фосфоглюконатного шляху катаболізму глюкози. Під час такого розщеплювання 1моля глюкози утворюється 12молей НАДФ-Н.

Процеси анаболізму та катаболізму знаходяться у організмі в стані динамічної рівноваги або переважання одного з них. Відношення цих процесів залежить від віку (у дитячому, юнацькому віці переважає анаболізм, а похилому віці – катаболізм) стану здоров´я, фізичного або психоемоційного навантаження тощо.

Білки є своєрідним будівельним матеріалом для пластичних процесів (структурний метаболізм) та для ферментів, які забезпечують усі обмінні процеси.

До складу білків входить 20 амінокислот, 8 із яких незамінні (лейцин, ізолейцин, валін, метіонін, лізин, треонін, фенілаланін, триптофан). Біологічна цінність білків неоднакова у зв´язку з наявністю незамінних амінокислот. Нестаток останніх супроводжується негативним балансом азоту (N більше виділяється, ніж надходить з їжею), припиненням росту й падінням маси тіла. Розпад білків спостерігається при їх нестачі й достатньому надходженні інших поживних речовин. Розрізняють повноцінні та неповноцінні. Повноцінними називаються ті білки, до складу яких входять всі незамінні амінокислоти. Тваринні білки більш повноцінні, ніж рослинні. Вони легше гідролізуються та всмоктуються у шлунково-кишковому тракті. Однак на засвоєння впливає і кулінарна обробка їжі. Мінімальна кількість білків тваринного походження в їжі повина становити 30%. У нормі існує азотиста рівновага: кількість виділеного азоту дорівнює кількості його надходження. Позитивний азотистий баланс спостерігається внаслідок переважання синтезу білка над розпадом. Зустрічається це під час зростання маси тіла, активації процесів росту, вагітності. У нормальних умовах білки майже, не використовуються для енергетичних затрат організму. Вони виконують такі функції: пластичну (ріст, розвиток, самооновлення), захисну (амортизаційну), імунну, надання специфічності тканинам індивідуума, входять до складу біологічно активних речовин. Енергетичну функцію вони виконують в екстремальних умовах. Коротко - це ферментативна, регуляторна, структурна, рецепторна, транспортна, скорочувальна та захисна функція.

Розрізняють прості та складні білки. Складні – це білки плюс біомолекули або іони, пов´язані ковалентними або нековалентними зв´язками. Це – глікопротеїди, ліпопротеїди, нуклеопротеїди, хромопротеїди, фосфопротеїди.

Важливе значення у пластичних процесах відіграють ДНК та РНК – біополімери (біомакромолекули), що складаються з п´яти основних нуклеотидів пуринового та піримідинового ряду і є носіями генетичної інформації. Лінійна послідовність певних мононуклеотидів у складі генетичних молекул нуклеїнових кислот детермінує послідовність амінокислотних залишків у відповідному білку. Сутність генетичного (біологічного) коду полягає в тому, що послідовність із трьох нуклеотидів (триплет, кодон) у молекулі ДНК або РНК відповідає одній із 20 амінокислот, що включається на певне місце пептидного ланцюга, який синтезується. α-амінокислоти – гіркі або без смаку, β-амінокислоти – солодкі, що свідчить про стереоспецифічність смакових рецепторів. Пуриновими основами є аденін і гуанін, піримідиновими – урацил, тимін, цитозин.

Добова потреба в білку на1 кг маси тіла у дитини на першому році життя становить 4-5 г., від 1 до 3 років – 4-4,5 г, від 6 до 10 років – 2,5-3 г, старше 12 років –2-2,5 г, у дорослих – 1,5-1,8 г. Отже, залежно від віку і маси діти від 1 до 4 років повинні одержувати на добу 30-50 г білка, від 4 до 7 років – близько70 г, з 7 років – 75-80 г, для дорослої людини вагою70 кг - близько120 г.

Ліпіди (жири і ліпоїди, жироподібні речовини – фосфатиди, стерини) – група речовин, що не розчиняються у воді, але розчиняються в органічних рідинах (спирт, ефір). За складом – це суміші різних тригліцеридів (ефіри гліцеролу) і жирних кислот: тригліцериди (гліцерин + жирні кислоти), фосфоліпіди (гліцерин + жирна кислота + фосфорна кислота + аміноспирти), гліколіпіди (гліцерин + жирна кислота + вуглевод), холестерин, стероїди. Відповідно ліпіди гідролізуються до триацилгліцеринів і жирних кислот; ефіри і фосфогліцерини – до жирних кислот, діацилгліцеролу, 2-моноацилгліцеринів, гліцерину, холестерину, лізофосфатидилхоліну.

У печінці й жировій тканині синтезуються жирні кислоти. Естерифікуючись із гліцерином (точніше з його похідними – гліцерол-3-фосфатом, що утворюється в печінці під впливом гліцеролкінази), вони утворюють триацилгліцерини.

Жир, що надходить до кишечника, під впливом жирових ферментів розщеплюється на гліцерин та жирні кислоти. Епітелієм слизової оболонки кишечника з продуктів розщеплення утворюється жир, специфічний для даного організму. Від слизової оболонки жир поступає лімфотичною систему у вигляді нейтрального жиру, а частково (до 30%) надходить до кровоносної системи. Жир є структурною частиною оболонок, ядерної частини клітин і включень протоплазми. Жири є розчинниками деяких вітамінів. Навколо деяких органів, у підшкірній тканині та в зморшках очеревини утворюються жирові депо за рахунок жиру, а частково з вуглеводів. Із жирових депо жир може переходити в кров, розщеплюючись до гліцирину і жирних кислот; гліцерин перетворюється в глікоген і використовується в процесі вуглеводного обміну. Жир може безпосередньо окислюватися до вуглекислого газу та води. Під час споживання будь-якого жиру в організмі відкладається жир специфічний для даного організму, і лише під час тривалого споживання жир набуває властивостей з’їденого. Жир структури клітин стійкий, а запасний може варіювати щодо кількості та складу. Жир в жирових депо з участю ліпази розщеплюється, а далі окислюється до вуглекислого газу та води, виділячи значну кількість енергії. Жир швидко обмінюється в організмі, він весь час розпадається і знову синтезується.

Обмін жирів і ліпоїдів регулюються корою півкуль головного мозку через проміжний мозок і вегетативну нервову систему, яка зумовлює розпад жиру в печінці. Гормони передньої частки гіпофіза, а також гормони статевих залоз, як і тироксин щитовидної залози, посилюють окислення жиру. Під час споживання жирної їжі кількість жиру в крові може досягти 1%. Добова потреба жирів на1 кг маси дорослої людини -1,5 г жирів (приблизно 80-100 г на добу). Від 1 до 3 років добова потреба в жирові32,7 г, від 4 до 7 років –39,2 г, від 8 до 13 років –38,4 г.

Вуглеводи – це моно-, гомо- та гетерополісахариди. Основна роль цих речовин полягає в забезпеченні організму енергією (функціональний метаболізм), що утворюється під час їх розщеплення в аеробних і анаеробних (гліколіз) процесах. Лактоза (дисахарид молока - галактоза + глюкоза), цукроза (сахар - фруктоза + глюкоза), крохмаль (полісахарид) є найбільш важливими для людини. Велике значення також мають глікоген (гомополісахарид), алкоголь, лактат, піруват, пектин, дек