Обмен веществ представляет собой сложный процесс превращения химических элементов в организме, обеспечивающих его рост, развитие, деятельность и жизнь в целом.
В живом организме постоянно расходуется энергия, причем не только во время физической и умственной работы, а даже при полном покое (сне).
Обмен веществ состоит из двух противоположных, одновременно протекающих процессов. Первый — анаболизм, или ассимиляция, объединяет все реакции, связанные с синтезом необходимых веществ, их усвоением и использованием для роста, развития и жизнедеятельности организма. Второй — катаболизм, или диссимиляция, включает реакции, связанные с распадом веществ, их окислением и выведением из организма продуктов распада.
Обмен веществ представляет собой комплекс биохимических и энергетических процессов, обеспечивающих использование пищевых веществ для нужд организма и удовлетворения его потребностей в пластических и энергетических веществах.
Белки, жиры, углеводы и другие высокомолекулярные соединения расщепляются в пищеварительном тракте на более простые низкомолекулярные вещества. Поступая в кровь и ткани, они подвергаются дальнейшим превращениям — аэробному окислению, окислительному фосфорилированию и др. В процессе этих превращений (наряду с окислением до СО2и Н2О) происходит использование продуктов окисления для синтеза аминокислот и других важных метаболитов. И так, аэробное окисление сочетает в себе элементы распада и синтеза и является связующим звеном в обмене белков, жиров, углеводов и других веществ.
Хотя обмен веществ происходит непрерывно, видимая неизменность нашего тела вводила в заблуждение не только неискушенных в науке людей, но и некоторых ученых. Полагали, что в организме имеются два вида веществ, одни из которых идут на строительство тела, они неподвижны, статичны; другие же, используемые в качестве источника энергии, быстро перерабатываются.
Внедрение в биологические исследования меченых атомов позволило в экспериментах на животных установить, что во всех тканях и клетках обмен веществ происходит непрерывно: никакой разницы между «строительными» и «энергетическими» молекулами не существует. В организме все молекулы равным образом участвуют в обмене веществ. В среднем у человека каждые 80 дней меняется половина всех тканевых белков, ферменты печени (в ней идут особенно интенсивные реакции) обновляются через 2-4 ч, а некоторые даже через несколько десятков минут.
Обмен веществ обеспечивает присущее живому организму как системе динамическое равновесие, при котором взаимно уравновешиваются синтез и разрушение, размножение и гибель. В основе реакций обмена веществ лежат физико-химические взаимодействия между атомами и молекулами, подчиняющиеся единым для живой и неживой материи законам. Сказанное, разумеется, не означает, что жизнь сводится полностью к физико-химическим процессам. Живым организмам присущи свои особенности.
С обменом веществ неразрывно связан обмен энергии в организме. Живые организмы могут существовать только при условии непрерывного поступления энергии извне. И потому они постоянно нуждаются в энергии для выполнения различного рода работы — механической (передвижение тела., сердечная деятельность и т.д.); энергетической (создание разности потенциалов в тканях и клетках); химической (синтез веществ) и т.д.
Первичным источником энергии для человека (как и для всего живого на Земле) служит солнечное излучение. Пища образуется благодаря той же энергии Солнца. Начальное звено пищевой цепи — растения, аккумулирующие в процессе фотосинтеза солнечную энергию. В зеленом пигменте растений — хлорофилле под воздействием квантов света из воды и углекислого газа синтезируются органические вещества — основа жизни.
Состав пищи сложен и разнообразен. В ней больше всего главных пищевых веществ, к которым относятся белки, жиры, углеводы. Содержатся в пище и минеральные элементы — кальций, фосфор, натрий и др., их называют макроэлементами в отличие от микроэлементов, содержащихся в ней в ничтожно малых количествах (медь, кобальт, йод, цинк, марганец, селен и др.). Есть в пище и вкусовые вещества, которые придают ей особые свойства.
Белки
Белки — наиболее важная составная часть нашей пищи. Являясь основным строительным материалом для восстановления и обновления клеток и тканей организма, они участвуют в образовании ферментов, гормонов и усвоении других пищевых веществ. Кроме того, с белками связано осуществление и других жизненно важных функций организма (рост, размножение и т.д.).
Последними исследованиями показано, что белки определяют иммунитет (невосприимчивость организма к инфекционным и другим заболеваниям). Вот почему не правы сторонники голодания, чистого вегетарианства и др.
В состав пищевых белков входит около 20 аминокислот, причем восемь из них (триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин) не образуются в организме и являются незаменимыми аминокислотами. В настоящее время считают наиболее дефицитными три аминокислоты: триптофан, лизин, метионин; поэтому особенно важно обеспечить их поступление в организм. Этих аминокислот в продуктах растительного происхождения, и особенно в злаковых, содержится очень мало. В продуктах животного происхождения их больше (в частности лизина). Эти белки не только сами хорошо усваиваются, но и способствуют усвоению белков растительного происхождения, что обеспечивает сбалансированность аминокислотного состава поступающей в организм пищи.
В этом отношении для обеспечения аминокислотного состава, необходимого организму, целесообразно использовать различные сочетания продуктов, взаимно дополняющих друг друга. Например, употребление пшеничного хлеба с молоком более рационально с биологической точки зрения, чем употребление одного хлеба.
Не всегда разнообразное питание обеспечивает сбалансированное поступление пищевых веществ в организм.
Замечено, если употреблять в избытке мясные продукты, способствующие повышенному содержанию незаменимых аминокислот, в организме могут наступить нарушения функции органов и систем. Будет страдать прежде всего пуриновый обмен, выделительная функция почек и т.д.
При сгорании 1 г белка в организме освобождается около 4 ккал, энергии. Много белков животного происхождения содержат мясные, рыбные блюда (шницель мясной, бефстроганов, мясо отварное, рыба заливная и т.д.). Некоторые готовые блюда содержат оптимальное количество белков животного и растительного происхождения, например мясо, рыба с различными крупяными, овощными гарнирами. Особую ценность имеют белки рыбы. Они легко усваиваются организмом и по своим качествам не уступают белкам мяса и птицы. Кроме полноценного белка, рыба содержит витамины А и D, большое количество солей и микроэлементов (йод, цинк, фосфор и др.)
Исключительное значение имеют молоко и молочные продукты; ценность этих продуктов обусловлена благоприятным соотношением входящих в белки молока аминокислот, хорошей усвояемостью жира, молочного сахара, витаминов, минеральных солей и способностью связывать некоторые токсичные элементы и выводить их из организма. Поэтому не случайно с возрастом рекомендуется увеличить потребление молочных продуктов.
За 160 дней в организме происходит полная замена всех собственных белков. Средняя суточная потребность белка для служащего массой тела 70 кг составляет примерно 91 г в сутки, или 1.3 г/кг массы тела.
С увеличением интенсивности физического труда суточная потребность организма в белке может достигать 150 г и выше. Минимальная потребность белка составляет 0.7 г/кг нормальной массы тела.
Жиры
Жиры — незаменимые продукты питания в обеспечении многообразных жизненных функций организма. Они являются подлинным концентратом энергии. Жиры — обширный класс органических веществ, ведущее их назначение — энергообеспечение организма. Хорошо известно, что молекулы жира обладают большой энергоемкостью по сравнению с углеводами. Так, при сгорании (окислении) 1 г жира до конечных продуктов- воды и углекислого газа выделяется в 2 раза больше энергии, чем при окислении того же количества углеводов. Жиры являются аккумуляторами энергии, но сгорают они в пламени углеводов. Иными словами, чтобы жиры освободили энергию, необходимо достаточное количество углеводов и кислорода.
Хорошо известно, что длительное голодание легче переносят люди, имеющие толстую жировую прослойку. Велика роль жира как пластического материала и в сохранении теплового гомеостаза. Особое место здесь занимает подкожно-жировая клетчатка — скопление жировой ткани разной толщины под всей поверхностью кожи. Температура внутренних органов выше, чем температура кожи, подкожной клетчатки и мышц. Причем перепады температуры достаточно большие, температура лица может быть 18ºC, кистей — 10, в то время как температура внутренних органов остается неизменной, равной 37ºC. Это — результат теплового обмена организма за счет химических реакций, идущих с выделением тепла. Основной вклад в производство тепла вносят печень, головной мозг, скелетные мышцы, а сохраняет тепло, не давая ему рассеиваться в пространстве, подкожно-жировая клетчатка (жир — плохой проводник тепла).
Жировая ткань, будучи материалом рыхлым и мягким, «укутывает» хрупкие органы, предохраняй их от механических сотрясений и травм.
В организме жир в основном входит в состав различных органов и заполняет пространство между ними. Но есть орган, почти целиком состоящий из жира (или сала), который так и называется — сальник.
Жир наряду с белками используется в качестве пластического материала. Подробно разобраться в строении клетки и структуре мембран исследователям помог электронный микроскоп. Были обнаружены неизвестные ранее детали в морфологии клетки и ее компонентов, в том числе и мембран, что, в свою очередь, помогло установить их функции.
Прежде всего подчеркнем, что клетка сохраняет свое «лицо» благодаря оболочке, разделяющей клетку и окружающую среду.
Оболочка — сложное образование, своего рода «бутерброд», составленный из двойного слоя липидов, расположенных между двумя слоями белков. Белки не создают сплошной пленки, часть молекул находится вне липидов, а некоторые белки внедряются в липидный слой и даже его пронизывают.
С физико-химической точки зрения мембрана представляет собой полупроницаемую перепонку, сито, избирательно пропускающее одни и задерживающее другие вещества. Во внеклеточной среде (тканевой жидкости, омывающей клетки) преобладает натрий, которого мало в самой клетке, а концентрация калия в клетке в 40 раз, магния в 15 раз выше, чем во внеклеточном пространстве. Своеобразным пропуском для проникновения вещества сквозь мембрану в клетку служит способность вещества растворяться в липидах — жирорастворимые молекулы лучше проходят внутрь клетки, чем водорастворимые. В липидах растворяется и целая группа витаминов (A, D, E и др.). Вот почему морковь, содержащую большое количеств во необходимого для человека провитамина A (каротина), необходимо вводить с жирами (растительное масло, сметана).
Большая группа липидов — ненасыщенные жирные кислоты, которые, поступая в организм, способствуют нормальному обмену холестерина и этим предотвращают атеросклероз.
В настоящее время хорошо известно, что в клинике внутренних болезней при лечении атеросклероза с успехом используется подсолнечное, хлопковое, оливковое масло.
Ненасыщенные жирные кислоты входят и в структурную оболочку тканей и органов, придают им бактерицидные свойства. Меньшее количество ненасыщенных жирных кислот содержится в жирах животного происхождения. Значение их также велико для организма. Из желудочно-кишечного тракта жиры попадают через лимфу в легкие, где откладываются в большом количестве, предохраняя организм от простудных заболеваний.
В народной медицине известно, что тугоплавкие жиры (барсучье, собачье сало), потребляемые человеком, излечивали ряд легочных недугов (туберкулез легких). Однако избыточное введение животных жиров (сливочное масло, свиное сало) способствует развитию атеросклероза, понижению вентиляции легких и возникновению простудных заболеваний.
Избыточное введение в организм полиненасыщенных жирных кислот усиливает переокисление внутриклеточного жира, что повреждает мембраны и нарушает жизнедеятельность клеток. В день рекомендуется потреблять 25-30 г растительного масла и 50-60 г животных жиров.
Из ненасыщенных жирных кислот (в основном из арахидоновой) образуется большая группа биогенных веществ. Это — простагландины.
В последние годы изучением простагландинов занимаются во многих лабораториях мира. Объясняется такое пристальное внимание тем, что, по мнению некоторых ученых, открытие простагландинов знаменует новую эру в медицине, быть может, более важную, чем эра антибиотиков.
Свое название простагландины получили потому, что вначале их считали продуктом выделения предстательной железы (простаты). Первоначально было замечено, что мужская семенная жидкость активно воздействует на мышцы матки, попеременно вызывая ее сокращение и расслабление. Кроме того, выделения простаты расширяют кровеносные сосуды, что особенно заинтересовало врачей в плане возможности лечения гипертонической болезни. Дальнейшие исследования показали, что сосудорасширяющим (спазмолитическим) эффектом обладают вытяжки из семенных пузырьков простаты не только человека, но и животных.
Простагландины широко распространены в живой природе, они образуются не только в предстательной железе, но и вырабатываются чуть ли не во всех тканях организма, правда, в меньших количествах. Они обнаружены в мозге, селезенке, почках, легких, желудке, кишечнике, мышцах и даже в радужной оболочке глаз. А совсем недавно (в 70-х годах) простагландины выделили из растений.
Учеными было доказано, что из арахидоновой кислоты (предшественника простагландинов) образуются два вещества. Одно из них получило название простациклин, а второе — тромбиксан. Первое усиливает свертываемость крови и выделение адреналина, способствует спазму сосудов, повышению уровня сахара, липидов в крови, второе тормозит эти процессы. Эти два вещества взаимно регулируют жизненно важные функции организма.
В растительных жирах содержатся линолевая и линоленовая полиненасыщенные жирные кислоты. В животных жирах их меньше, но важно то, что они являются поставщиками арахидоновой кислоты (табл. 1).
Таблица 1. Содержание полиненасыщенных кислот в некоторых жирах (на 100 г съедобной части)
Кислоты | Жиры | ||||
подсолнеч-ное рафи-нирован-ное масло | сливочное масло | оливковое масло | свиной жир | говяжий жир | |
Линолевая Линоленовая Арахидоновая | 59.8 — — | 0.84 0.07 — | 12.00 Следы — | 9.4 0.7 0.5 | 2.5 0.6 0.1 |
Из таблицы следует, что наиболее богато полиненасыщенными жирными кислотами подсолнечное масло. В этом отношении оно в 4 раза превосходит оливковое. Из животных жиров наиболее ценным является свиной, содержащий все полиненасыщенные жирные кислоты.
Липиды служат исходным материалом для синтеза ряда гормонов в организме. Например, стерины (холестерин) являются сырьем, из которого в железах внутренней секреции образуются стероидные мужские и женские половые гормоны и гормоны коры надпочечников, химической основой которых является стероидное ядро.
Половые гормоны — мужские (андрогены) и женские (эстрогены) — определяют тип скелета, развитие мышечной системы, степень отложения жира и его распределение в организме, тембр голоса, оволосение, особенности поведения и другие характерные черты, отличающие мужчину от женщины.
Гормоны коры надпочечников регулируют жировой, белковый, углеводный, водно-солевой обмен, а также кровяное давление, деятельность центральной нервной системы, почек и другие физиологические функции организма.
Итак, жиры в умеренном количестве необходимы для нормальной жизнедеятельности организма: их дефицит ведет к серьезным нарушениям, а подчас и гибели организма.
Однако избыточное поступление жира с пищей, повышенное отложение его в подкожно-жировой клетчатке, в печени таят в себе немалую опасность для здоровья. Это своеобразная «бомба замедленного действия». Жиры начинают расщепляться в желудочно-кишечном тракте, но процесс этот длительный, так как жир находится в недоступном для ферментов состоянии: ведь для расщепления жира сначала необходимо раздробить его на мельчайшие шарики, то есть эмульгировать.
Эмульгируется жир в тонком кишечнике желчью и затем всасывается в лимфу. Отметим, что в незначительном количестве жир может всасываться и в цельном виде, нерасщепленным. В стенке кишки из продуктов расщепления пищевого жира образуются крупные капли, получившие название «хиломикроны». Они богаты триглицеридами, холестерином и содержат очень небольшое количество белков и фосфолипидов.
Хиломикроны поступают в лимфу, а затем в кровоток. Далее они могут проникать в подкожно-жировую клетчатку, где и откладываются в виде нейтрального запасного жира, чтобы впоследствии использоваться как источник энергии.
Жиры могут накапливаться в крови. Ожирение крови способствует дефициту в ней белка, который является переносчиком молекул жира. В отсутствие белка кровь приобретает белесый оттенок. Через 3 ч. после еды хиломикроны задерживают пучок света на. 40% и потому кровь мутная на вид. Еще через 4 ч. кровь просветляется и задерживает всего 10% света, Такая скорость просветления крови присуща здоровым людям, причем у женщин этот процесс при прочих равных условиях протекает быстрее, чем у муж чин. Спустя определенное время после приема пищи хиломикроны покидают кровь. В насыщенной ими крови красные кровяные тельца (эритроциты) склеиваются, в то время как обычно эритроциты легко и свободно скользят вдоль стенок сосудов и относительно друг друга. Повышенное содержание в крови холимжкронов нарушает движение эритроцитов, что приводит к заторам в сосудах. Подобное замедление течения крови нарушает питание тканей и органов, снижает их устойчивость к различным неблагоприятным факторам.
Накопление липидов в крови происходит не только при избыточном поступлении жира с пищей, дефиците в пище белка, но и при любых стрессовых состояниях (напряжениях), в том числе длительном голодании. В этом случае в крови накапливаются жирные кислоты, которые интенсивно начинают выходить из подкожно-жировой клетчатки. Одновременно растет и уровень сахара крови. Сахар при любом эмоциональном, психическом, физическом возбуждении образуется из гликогена печени; на место гликогена в печень поступают жирные кислоты, хиломикроны, При таком длительном состоянии может произойти ожирение печени, так называемая жировая инфильтрация. Развитию жировой инфильтрации способствует также постоянное употребление алкогольных напитков. В печени из жирных кислот, хиломикронов образуются липопротеиды высокой и низкой плотности,
В состав липопротеидов входят холестерин, триглицериды, фосфолипиды. Липопротеиды высокой плотности богаты фосфолипидами и белком. Они чаще всего встречаются у долгожителей. Липопротеиды низкой плотности, в состав которых входят холестерин и триглицериды, способствуют развитию склеротических изменений сосудов. Поэтому повышение концентраций в крови липопротеидов низкой плотности (холестерин и триглицериды) является грозным синдромом приближающегося неблагополучия в жизнедеятельности организма.
Если же постоянное переедание сочетается с длительно продолжающимися стрессовыми состояниями, в кровь интенсивно выделяются гормоны, адреналин, норадреналин. Они, в свою очередь, не, только способствуют расщеплению жира в лодкожно-жировой клетчатке и увеличению содержания жирных, кислот в крови, но и широко открывают двери для холестерина, триглицеридов, жирных кислот в сосудистой стенке. Липиды входят в образовавшееся отверстие, и во внутренней оболочке сосудов начинает; формироваться атеросклеротическая бляшка.
Ожирение крови усиливается при повышенном введении в организм поваренной соли, катионы натрия тормозят активность гепарина — биологического вещества, одной из функций, которого является снижение уровня липидов в крови.
В организме сформировался механизм для предупреждения вредного влияния ожирения крови, в течение нескольких часов очищающий кровь от нерастворимых в ней жировых капель. Уже само по себе длительное переваривание жиров в желудочно-кишечном тракте предупреждает быстрое и массированное насыщение крови продуктами расщепления жира. Но главное заключается в том, что появление хиломикронов в кровеносном русле стимулирует выброс в кровь гепарина и липазы — фермента, расщепляющего жиры.
Гепарин не только участвует в просветлении крови — обезжиривании, но и уменьшает ее свертываемость, расширяет кровеносные сосуды, в том числе и коронарные, питающие сердце. Недаром гепарин находит широкое применение для лечения тромбозов сердечных, мозговых, брыжеечных.
Без гепарина не срабатывает липопротеидная липаза, при его недостатке кровь медленнее просветляется. Как показали сравнительные исследования, кровь здоровых людей просветляется быстрее, чем больных. Через 7 ч. кровь просветляется полностью, причем у женщин интенсивнее, чем у мужчин. Медленнее всего кровь просветляется у больных атеросклерозом.
Фактор просветления важный, но не единственный механизм обезжиривания крови. Некоторое количество липидов из нее довольно быстро переходит в жировые депо, печень и другие органы. Часть жиров связывается с белками плазмы — альбуминами, образуя так называемый липопротеидный комплекс. Чем больше в крови белковых фракций альбуминов, тем с большим количеством жирных кислот они соединяются, тем быстрее кровь освободится от хиломикронов. Это в определенной степени тормозит развитие атеросклероза. Отсюда вывод — белки обязательно должны быть в рационе здорового человека.