Источники энергии в организме (начало). Энергия и ее запасы в организме
Обмен веществ и энергии - это взаимосвязанные процессы, разделение которых связано только с удобством изучения. Ни один из этих процессов в отдельности не существует. При окислении энергия химических связей, содержащаяся в питательных веществах, освобождается и употребляется организмом. За счет перехода одних видов энергии в другие и поддерживаются все жизненные функции организма. Наряду с этим общее число энергии не изменяется. Соотношение между числом энергии, поступающей с пищей, и величиной энергетических затрат называется энергетическим балансом.
Сказанное возможно проиллюстрировать на примере деятельности сердца. Сердце делает огромную работу. Любой час оно выбрасывает в аорту около 300 л крови. Эта работа совершается за счет сокращения сердечной мускулы, в которой наряду с этим протекают интенсивные окислительные процессы. Благодаря освобождающейся энергии обеспечивается механическое сокращение мышц, и в конечном итоге вся энергия переходит в тепловую, которая рассеивается в организме и отдается им в окружающее пространство. Аналогичные процессы идут в каждом органе человеческого тела. И в каждом случае в конечном счете химическая, электрическая, механическая и другие виды энергии трансформируются в тепловую и рассеиваются во окружающую среду. Количество энергии, расходуемое на исполнение физической работы, определяют как коэффициент нужного действия (кпд). Его средняя величина - 20-25%, у спортсменов КПД выше. Установлено, что 1 г белка при окислении выделяет 4,1 ккал, 1 г жира - 9,3, air углеводов - 4,1 ккал. Зная содержание белков, жиров и углеводов в пищевых продуктах (табл. 1), возможно установить их калорийность, либо энергетическую цена.
Мышечная деятельность, деятельный двигательный режим, физические упражнения и спорт связаны со большим расходом энергии. В некоторых случаях он может быть около 5 000 какое количество, а в дни интенсивных и объемных тренировок у спортсменов и того более. Такое повышение энергозатрат нужно учитывать при составлении пищевого рациона. В то время, когда в пище присутствует много белка, существенно удлиняется процесс ее переваривания (от двух до четырех часов). За один раз целесообразно принимать до 70 г белка, поскольку излишки его начинают преобразовываться в жир. А представители некоторых видов спорта (к примеру, гимнасты, бодибилдеры и др.) всячески избегают накопления лишнего жира и предпочитают энергию получать из растительной пищи (к примеру, фруктовая пища связана с образованием стремительных углеводов).
Питательные вещества возможно замещать, учитывая их калоричес-кую ценность. Вправду, с энергетической точки зрения 1 г углевода эквивалентен (изодинамичен) 1 г белка, поскольку у них однообразный калорический коэффициент (4,1 ккал), а 1 г белка либо углевода эквивалентен 0,44 г жира (калорический коэффициент жира 9,3 ккал). Из этого следует, что человек, дневный расход энергии которого 3 000 ккал, может всецело удовлетворить энергетические потребности организма, потребляя в день 732 г углеводов. Но для организма ответственна не только неспециализированная калорийность пищи. В случае если человек достаточно долго потребляет лишь жиры либо белки, либо углеводы, в его организме появляются глубокие трансформации в обмене веществ. Наряду с этим нарушаются пластические процессы в протоплазме клеток, отмечается сдвиг азотистого равновесия, образуются и накапливаются токсические продукты.
Таблица 1. Состав наиболее серьёзных пищевых продуктов (в % сырого вещества)
Говядина средняя жирная
Желток куриного яйца
Белок куриного яйца
Для обычной жизнедеятельности организм должен получать оптимальное количество полноценных белков, жиров, углеводов, минеральных солей и витаминов, каковые находятся в разных пищевых продуктах. Уровень качества пищевых продуктов определяется их физиологической ценностью. Наиболее полезными пищевыми продуктами являются молоко, масло, творог, яйца, мясо, рыба, зерновые, фрукты, овощи, сахар.
Люди различных профессий затрачивают при своей деятельности различное количество энергии. К примеру, занимающийся интеллектуальным трудом в сутки тратит менее 3000 громадных калорий. Человек, занимающийся тяжелым физическим трудом, за сутки затрачивает в 2 раза больше энергии (табл. 2).
Энергетический расход (ккал/сут) для лиц разных категорий труда
Тяжелый физический Механизированный Умственный
Бессчётные изучения продемонстрировали, что мужчине среднего возраста, занимающемуся и умственным, и физическим трудом в течение 8-10 ч, нужно потреблять в сутки 118 г белков, 56 г жиров, 500 г углеводов. В пересчете это образовывает около 3 000 ккал. Для детей, людей пожилого возраста, для лиц занимающихся тяжелым физическим трудом, требуются личные, научно обоснованные нормы питания. Пищевой рацион составляется с учетом пола, возраста человека и характера его деятельности. Громадное значение имеет режим питания. В зависимости от возраста, рода работы и других параметров устанавливается 3-6-разовое питание в день с определенным процентным содержанием пищи на любой прием.
Так, дабы сохранять энергетический баланс, поддерживать обычную массу тела, снабжать высокую работоспособность и профилактику разного рода патологических явлений в организме, нужно при полноценном питании расширить расход энергии за счет увеличения двигательной активности, что значительно стимулирует обменные процессы.
Наиболее значимая физиологическая константа организма - то предельное число энергии, которое человек расходует в состоянии полного спокойствия. Эта константа называется основным обменом. Нервная система, сердце, дыхательная мускулатура, почки, печень и другие органы непрерывно функционируют и потребляют определенное количество энергии. Сумма этих затрат энергии и образовывает величину основного обмена.
Основной обмен человека определяют при соблюдении следующих условий: при полном физическом и психическом покое; в положении лежа; в утренние часы; натощак, т.е. через 14ч по окончании последнего приема пищи; при температуре комфорта (20°С). Нарушение любого из этих условий ведет к отклонению обмена веществ в сторону увеличения. За 1 ч минимальные энергетические затраты организма взрослого человека составляют в среднем 1 ккал на 1 кг массы тела.
Основной обмен есть личной константой и зависит от пола, возраста, массы и роста человека. У здорового человека он может держаться на постоянном уровне в течение ряда лет. В детском возрасте величина основного обмена существенно выше, чем в пожилом. Деятельное состояние приводит к заметной интенсификации обмена веществ. Обмен веществ при этих условиях называется рабочим обменом. В случае если основной обмен взрослого человека равен 1700- 1800 ккал, то рабочий обмен в 2-3 раза выше. Так, основной обмен есть исходным фоновым уровнем потребления энергии. Резкое изменение основного обмена возможно серьёзным диагностическим показателем переутомления, перенапряжения и недовосстановления либо заболевания.
Углеводы и жиры — одни из источников энергии для организма человека. В питании людей старших возрастов они играют особую роль. При этом количество данных природных органических соединений в пище пожилых людей должно быть умеренным. Целесообразно ограничение углеводов преимущественно за счет простого сахара и сладостей, в то время как овощи, фрукты и зерновые культуры должны быть в диете в достаточном количестве. Одновременно следует стремиться повысить долю растительных масел в рационе до половины общего количества жиров. Но все эти рекомендации должны быть строго контролируемы. Нередко наблюдаются случаи, когда желание добиться высокой терапевтической эффективности от применения, например, растительных масел обеспечивается бесконтрольным увеличением его в рационе до количеств, которые вызывают лишь бурное послабляющее действие, отрицательно сказываясь на здоровье пациента. Именно поэтому клиницисту важно обратить особое внимание на многие принципиально значимые метаболические аспекты углеводного и жирового обмена. Эти знания помогут ему правильно организовать слаженную работу в «лаборатории» организма пожилого человека.
Виды углеводов
Углеводы — это полиатомные альдегидо- или кетоспирты, которые подразделяются в зависимости от количества мономеров на моно-, олиго- и полисахариды. Основные представители углеводов представлены в таблице 1.
Таблица 1. Основные представители углеводов
Моносахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза и др.), олигосахариды (сахароза, мальтоза, лактоза) и перевариваемые полисахариды (крахмал, гликоген) являются основными источниками энергии, а также выполняют пластическую функцию.
Неперевариваемые полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлоза и др.), или пищевые волокна, играют в питании важнейшую роль, участвуя в формировании каловых масс, регулируя моторную функцию кишечника, выступая в качестве сорбентов (см. табл. 2). Пектины (коллоидные полисахариды) и пропектины (комплексы пектинов с целлюлозой), камеди, слизи используются в диетотерапии в связи с их детоксицирующим эффектом. К пищевым волокнам относят и не являющийся углеводом лигнин.
Перевариваемые углеводы в тонкой кишке расщепляются до дисахаридов, а далее, путем пристеночного пищеварения, до моносахаридов.
Таблица 2. Роль неперевариваемых полисахаридов (пищевых волокон) в питании
| Основные эффекты | |
| Прием пищи |
|
| Влияние на верхние отделы желудочно-кишечного тракта |
|
| Влияние на тонкую кишку |
|
| Влияние на толстую кишку |
|
Метаболизм глюкозы
Всасывание моносахаров происходит путем облегченной диффузии и активного транспорта, что обеспечивает высокую их абсорбцию даже при низкой концентрации в кишечнике. Основным углеводным мономером является глюкоза, которая изначально по системе воротной вены доставляется в печень, а далее или метаболизируется в ней, или поступает в общий кровоток и доставляется в органы и ткани.
Метаболизм глюкозы в тканях начинается с образования глюкозо- 6-фосфата, который, в отличие от свободной глюкозы, не способен покидать клетку. Дальнейшие превращения этого соединения идут в следующих направлениях:
- расщепление вновь до глюкозы в печени, почках и эпителии кишечника, что позволяет поддерживать постоянный уровень сахара в крови;
- синтез депонируемой формы глюкозы — гликогена — в печени, мышцах и почках;
- окисление по основному (аэробному) пути катаболизма;
- окисление по пути гликолиза (анаэробного катаболизма), обеспечивающего энергией интенсивно работающие (мышечная ткань) или лишенные митохондрий (эритроциты) ткани и клетки;
- по пентозофосфатному пути превращений, происходящему под действием коферментной формы витамина B 1 , в ходе которого генерируются продукты, используемые в синтезе биологически значимых молекул (НАДФ∙Н2, нуклеиновых кислот).
Таким образом, метаболизм глюкозы может происходить по различным направлениям, использующим ее энергетический потенциал, пластические возможности или способность депонироваться.
Энергия для организма
Обеспечение тканей глюкозой как энергетическим материалом происходит за счет экзогенных сахаров, использования запасов гликогена и синтеза глюкозы из неуглеводных предшественников.
В базальном (доабсорбционном) состоянии печень вырабатывает глюкозу со скоростью, равной ее утилизации во всем организме. Примерно 30 % производства глюкозы печенью происходит за счет гликогенолиза, а 70 % — как результат глюконеогенеза. Общее содержание гликогена в организме составляет примерно 500 г.
Если нет экзогенного поступления глюкозы, его запасы истощаются через 12-18 часов. При отсутствии резервного гликогена в результате голодания резко усиливаются процессы окисления другого энергетического субстрата — жирных кислот. Одновременно увеличивается скорость глюконеогенеза, направленного в первую очередь на обеспечение глюкозой головного мозга, для которого она является основным источником энергии.
Синтез глюкозы
Из аминокислот, лактата, пирувата, глицерина и жирных кислот с нечетной углеродной цепью происходит синтез глюкозы. Большинство аминокислот способны быть предшественниками глюкозы, однако основную роль при этом, как сказано выше, играет аланин. Из аминокислотных источников происходит синтез примерно 6 % эндогенной глюкозы, из глицерина, пирувата и лактата соответственно 2, 1 и 16 %. Вклад жирных кислот в глюконеогенез малозначим, поскольку лишь небольшой процент их имеет нечетное углеродное число.
В постабсорбционном состоянии печень из органа, вырабатывающего глюкозу, превращается в орган запасающий. При повышении концентрации глюкозы скорость ее утилизации периферическими тканями почти не изменяется, поэтому основным механизмом элиминации ее из кровотока является именно депонирование. Только небольшая часть избыточной глюкозы непосредственно участвует в липогенезе, который происходит в печени и в жировой ткани. Эти особенности углеводного метаболизма становятся значимыми при парентеральном введении высококонцентрированных растворов глюкозы.
Принцип самообслуживания
Обмен глюкозы в мышцах по сравнению с печенью носит редуцированный характер. Ведь печень обеспечивает углеводами все органы и ткани, а мышцы работают в соответствии с принципом самообслуживания. Здесь происходит создание запаса гликогена в состоянии покоя и использование его и вновь поступающей глюкозы при работе. Запасы гликогена в мышцах не превышают 1 % от их массы.
Основные энергетические потребности интенсивно работающей мускулатуры удовлетворяются за счет окисления продуктов обмена жиров, а глюкоза используется здесь в гораздо меньшей степени. В процессе гликолиза из нее образуется пируват, который утилизируют скелетные мышцы. При повышении уровня работы мышечная ткань вступает в анаэробные условия, трансформируя пируват в лактат. Тот диффундирует в печень, где используется для глюкозного ресинтеза, а также может окисляться в миокарде, который практически всегда работает в аэробных условиях.
Важнейшие гормоны
Инсулин играет ключевую роль в регуляции углеводного метаболизма, обеспечивая поступление глюкозы в клетку, активируя ее транспорт через клеточные мембраны, ускоряя окисление. Кроме того, он стимулирует гликогенообразование, липо- и протеиногенез. Одновременно тормозится гликогенолиз, липолиз и глюконеогенез.
Глюкагон, наоборот, активирует процессы, ведущие к росту концентрации глюкозы в крови. Глюкокортикостероиды действуют в направлении гипергликемии, стимулируя процессы продукции глюкозы печенью. Адреналин усиливает мобилизацию гликогена. Соматотропный гормон увеличивает секрецию и глюкагона, и инсулина, что ведет как к увеличению депонирования глюкозы, так и к усилению утилизации. Соматостатин тормозит продукцию соматотропина и опо- средованно сдерживает выработку инсулина и глюкагона.
Путь фруктозы
Специфические превращения других перевариваемых углеводов по сравнению с глюкозой имеют меньшее значение, поскольку в основном их метаболизм происходит через образование глюкозы. Отдельное значение придается фруктозе, которая также является быстро утилизируемым источником энергии и еще легче, чем глюкоза, участвует в липогенезе. При этом утилизация не перешедшей в глюкозо-фосфат фруктозы не требует стимуляции инсулином, соответственно, она легче переносится при нарушении толерантности к глюкозе.
Пластическая функция углеводов заключается в их участии в синтезе гликопротеинов и гликолипидов, а также в возможности выступать предшественниками триглицеридов, заменимых аминокислот, использоваться при построении многих других биологически значимых соединений.
Норма углеводов
Известно, что для людей любого возраста углеводы должны поставлять от 55 до 60 % калорийности суточного пищевого рациона. С уменьшением физической активности (что характерно для людей пожилого возраста) снижается потребность организма в пищевом энергообеспечении. Как уже выше было отмечено, ежедневная потребность в калориях снижается на 10 % в каждые последующие 10 лет после достижения 50-летнего возраста. В связи с этим средней суточной нормой обеспечения организма пожилого и старого человека углеводами принято соответственно 300 и 250 г. Однако физически активный образ жизни лиц старших возрастов, сохранение их профессиональной деятельности требует увеличения обозначенных количеств углеводов на 10-15 и даже 20 % (Levin S. R., 1990; Тошев А. Д., 2008).
Осторожно: ожирение!
Углеводы в организме используются преимущественно как источник энергии мышечной работы. При отсутствии физической нагрузки избыток углеводов в пожилом возрасте легко переходит в жир. Особенно неблагоприятное действие в этом отношении оказывает пищевой избыток легкоусвояемых углеводов, как, например, ди- и моносахаридов, стимулирующих трансформацию в жировую ткань всех без исключения пищевых питательных веществ и способствующих развитию ожирения.
Отмеченные метаболические особенности избытка углеводов, в первую очередь простых, в рационе питания лиц старших возрастов определяют одно из важнейших условий их рационального и профилактического питания — особо тщательный подход к организации адекватного питания: энергетическую сбалансированность пищевого рациона с фактическими энергозатратами в процессе старения организма.
Скорость старения
Важно обратить внимание клиницистов на еще один принципиально значимый метаболический аспект избыточного количества простых углеводов в организме людей старших возрастов. Обнаружено, что поступление больших количеств простых углеводов помимо нарушений углеводного обмена и накопления избытков энергии в естественных и неестественных жировых депо способствует существенному извращению жирового обмена. Речь идет о гиперхолестеринемическом действии избытка низкомолекулярных углеводов, напоминающем по своему патофизиологическому эффекту роль насыщенных жиров в генезе прежде всего атеросклероза и связанных с ним заболеваний. Прогрессирование отмеченных явлений заметно потенцирующе влияет на скорость старения организма (Miles J., 2004).
Избыток легкоусвояемых пищевых углеводов самым неблагоприятным образом влияет на нормальный микробиоценоз кишечника. В условиях избыточного углеводистого питания в организме пожилого человека активизируется патологическое размножение аэробных микроорганизмов кишечника, особенно факультативных, условно патогенных — стафилококков, протея, клостридий, клебсиел, цитробактерий и др. Алиментарный генез кишечного дисбиоза провоцирует появление синдрома бродильной кишечной диспепсии и связанного с этим процессом симптомокомплекса энтеральных нарушений, метаболических расстройств, регуляторных дисфункций многих органов и систем организма, т. е. формирование многих и многих патологических явлений в организме за счет падения контролирующего и регулирующего влияния нормальной кишечной эндоэкологии на важнейшие функции организма. Дисбиоз кишечника — один из заметных стимуляторов скорости развития старения, формирования преждевременного и патологического старения.
Спасительная клетчатка
Противоположным эффектом обладают углеводы, представляющие собой полисахариды и пищевые волокна — пектиновые вещества, гемицеллюлоза, лигнин и другие слабоперевариваемые в кишечнике полисахариды. Особую ценность представляет собой клетчатка овощей и фруктов, сложные углеводы которых в наибольшей степени способствуют нормализации кишечной микрофлоры. В пожилом возрасте пищевые волокна являются важным средством нормализации работы кишечника, снижения в нем гнилостных процессов.
Жировой обмен
Жиры (липиды), представленные в организме в основном триглицеридами (соединениями глицерина и жирных кислот), представляют собой наиболее важный энергетический субстрат. Благодаря высокой калорической плотности (в среднем 9 ккал/г, по сравнению с 4 ккал/г у глюкозы) жиры составляют более 80 % энергетических запасов в организме.
Скудные трансизомеры
При обработке растительных масел — создании маргаринов — происходит изомеризация ненасыщенных жирных кислот с созданием трансизомеров, которые утрачивают некоторые биологические функции своих предшественников.
Энергетическая ценность отдельных триглицеридов определяется длиной углеродных цепей жирных кислот, поэтому при использовании специализированных энтеральных и парентеральных продуктов их калорийность может быть ниже средней (например, у препаратов триглицеридов со средней углеродной цепью — 8 ккал/г). При нормальном питании жиры обеспечивают до 40 % от общей калорийности питания.
Хотите больше новой информации по вопросам диетологии?
Оформите подписку на информационно-практический журнал «Практическая диетология» со скидкой 10%!
Жирные кислоты
Жирные кислоты подразделяются на насыщенные и ненасыщенные (содержащие двойные химические связи). Источником насыщенных жирных кислот является преимущественно животная пища, ненасыщенных — продукты растительного происхождения.
Пищевая ценность жировых продуктов определяется их триглицеридным спектром и наличием других факторов липидной природы. Синтез насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот возможен в организме человека.
Особое значение в диетологии придается ненасыщенным жирным кислотам, являющимся эссенциальными факторами питания. Полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК), несущие в организме важнейшие функции (это предшественники ряда биологически активных веществ), должны поступать экзогенно.
К эссенциальным жирным кислотам относятся линолевая и линоленовая. Линолевая кислота метаболизируется в организме в арахидоновую, а линоленовая в эйкозапентаеновую кислоту, которые могут поступать в организм с мясными и рыбными продуктами, но в незначительных количествах (см. табл. 3), компонентами клеточных мембран, предшественниками гормоноподобных веществ. Линолевая и образуемая из нее арахидоновая кислота относятся к ω -6 жирным кислотам, линоленовая кислота и продукты ее метаболизма эйкозопентаеновая и дезоксогексаеновая — ω -3 жирные кислоты.
Дефицит эссенциальных жирных кислот в рационе вызывает прежде всего нарушение биосинтеза арахидоновой кислоты, которая входит в большом количестве в состав структурных фосфолипидов и простагландинов. Содержание линолевой и линоленовой кислоты во многом определяет биологическую ценность пищевых продуктов. Недостаточность эссенциальных жирных кислот развивается в основном у больных, находящихся на полном парентеральном питании без применения жировых эмульсий.
Таблица 3. Основные пищевые источники различных жирных кислот
Длина углеродной цепи
Триглицериды со средней длиной углеродной цепи (МСТ, СЦТ) имеют более высокую усвояемость, чем другие виды триглицеридов. Они гидролизируются в кишечнике без участия желчи, больше атакуются липазами. Кроме того, введение среднецепочечных триглицеридов оказывает гипохолестеринемический эффект, так как они не участвуют в мицеллообразовании, необходимом для всасывания холестерина.
Недостатком применения препаратов, содержащих триглицериды со средней длиной углеродной цепи, является то, что они используются исключительно как энергетический (но не пластический) субстрат. Кроме того, окисление таких жирных кислот приводит к интенсивному накоплению кетоновых тел и может усугубить ацидоз.
Стерины и фосфолипиды
Стерины и фосфолипиды не относятся к эссенциальным факторам питания, но играют важнейшую роль в метаболизме.
Фосфолипиды являются незаменимыми компонентами организма. Их основная роль — обеспечение фундаментальной структуры мембраны как барьера проницаемости. Биосинтез структурных фосфолипидов в печени направлен на обеспечение ими самой печени и других органов. Фосфолипиды оказывают липотропное действие, способствуя мицеллообразованию жиров в пищеварительном тракте, транспорту их из печени, а также стабилизируя липопротеины.
Стерины в животных продуктах представлены холестерином, а в растительных — смесью фитостеринов.
Роль холестерина
Холестерин является структурным компонентом мембран и предшественником стероидов (гормонов, витамина D, желчных кислот). Пополнение запасов холестерина происходит за счет кишечной абсорбции и биосинтеза (1 г/сут). Количество всасывающегося в кишечнике холестерина ограничено (0,3-0,5 г/сут), и при излишнем содержании в пище он выводится с фекалиями.
Абсорбция холестерина ингибируется его растительными структурными аналогами фитостеринами. Сами фитостерины тоже могут включаться в эндогенные липидные образования, но их участие минимально. При избыточном поступлении холестерина с пищей его синтез в печени, кишечнике и коже практически прекращается.
Поступающий из кишечника в составе хиломикронов холестерин в значительной степени задерживается в печени, где используется для построения мембран гепатоцитов и в синтезе желчных кислот. В составе желчи в результате реабсорбции в организм возвращается около 40 % жиров. Не подвергшиеся обратному всасыванию в кишечнике холестерин и желчные кислоты — это основной путь выведения холестерина из организма.
Транспортировка липидов
В кровотоке липиды существуют в составе транспортных форм: хиломикронов, липопротеидов очень низкой плотности (ЛПОНП), липопротеидов низкой плотности (ЛПНП) и липопротеидов высокой плотности (ЛПВП). В энтероцитах образуются хиломикроны и ЛОПНП, в гепатоцитах — ЛПОНП и ЛПВП, в плазме крови — ЛПВП и ЛПНП.
Хиломикроны и ЛПОНП транспортируют преимущественно триглицериды, а ЛПНП и ЛПВП — холестерин. Холестеринсодержащие липопротеиды регулируют баланс холестерина в клетках: ЛПНП обеспечивают потребности, а ЛПВП предупреждают избыточное накопление.
Различают пять типов дислипопротеинемий. I тип связан с нарушением лизиса хиломикронов, IIа тип — результат нарушения распада ЛПНП и снижения поступления холестерина в клетку, II тип характеризуется замедлением распада ЛПОНП, IV тип связан с усилением синтеза триглицеридов в печени в результате гиперинсулинизма, механизмы развития IIб и V типов точно неизвестны.
На состав триглицеридов и липопротеинов выраженное влияние оказывает состав пищи. Продукты животного происхождения, включающие преимущественно полиненасыщенные жирные кислоты и холестерин, имеют атерогенный эффект, содержание в крови ЛПВП и триглицеридов. Наоборот, ненасыщенные жирные кислоты (их источник — растительные масла), и в особенности ω- 3 жирные кислоты (содержащиеся в жире рыб), оказывают профилактическое действие (см. табл. 4).
Таблица 4. Влияние жирных кислот на липопротеидный спектр
Примечание: — повышают, ↓ — снижают.
Ключевая роль печени
Как и при метаболизме углеводов, ведущую роль в липидном обмене играет печень. Исключительно в печени локализованы такие процессы, как биосинтез холестерина, желчных кислот и фосфолипидов. В обмене других липидов ей присущи модифицирующие и регуляторные функции.
В отличие от богатых запасов гликогена, печень практически не содержит собственных резервов триглицеридов (менее 1 %), однако занимает ключевую позицию в процессах мобилизации, потребления и синтеза жиров в других тканях. Такая ее роль основана на том, что практически все потоки обмена жиров проходят через печень: липиды пищи в виде хиломикронов поступают в нее через общий кровоток по печеночной артерии; свободные жирные кислоты, мобилизованные из жировых депо, переносятся в виде комплексов с альбумином; соли желчных кислот, реабсорбируясь в кишечнике, вновь поступают по воротной вене.
Энергетический потенциал липидов обеспечивает более половины основной энергетической потребности большинства тканей, что особенно выражено в условиях голода. При голодании или снижении утилизации глюкозы триглицериды жировой ткани гидролизируются в жирные кислоты, которые в таких органах, как сердце, мышцы и печень, подвергаются интенсивному β -окислению с образованием АТФ.
Востребованность кетоновых тел
Продуктами неполной утилизации жиров печенью являются кетоновые тела. К ним относятся ацетоуксусная кислота, β -оксибутират и ацетон.
В норме кетоны образуются в незначительном количестве и полностью утилизируются как источник энергии нервной тканью, скелетными и висцеральными мышцами. В условиях ускоренного катаболизма жирных кислот и/или снижения утилизации углеводов синтез кетонов может превысить возможности их окисления внепеченочными органами и привести к развитию метаболического ацидоза. Ингибирующее влияние на кетоногенез оказывают углеводы рациона.
Головной мозг и нервная ткань практически не используют жиры как источник энергии, так как здесь не происходит β -окисления. Однако эти ткани могут использовать кетоновые тела. В норме доля процессов окисления кетоновых тел незначительна по сравнению с катаболизмом глюкозы. Однако в условиях голодания кетоновые тела становятся важным альтернативным источником энергии.
Кетоны используются и мышцами, наряду с происходящей здесь утилизацией глюкозы и β -окислением. При незначительной физической нагрузке мышцы окисляют в основном углеводы, увеличение интенсивности и длительности работы требует преобладания катаболизма жиров, β -окисление в большинстве тканей стимулируется переносчиком липидов карнитином, но особенно весомое значение он имеет для мышечной ткани.
Окисление ПНЖК
Свободнорадикальные формы кислорода вызывают процессы перикисного окисления, которому в первую очередь подвержены полиненасыщенные жирные кислоты. Это физиологический процесс, обеспечивающий регуляцию активности клеток. Однако при избыточном образовании свободных радикалов их окислительная активность приводит к нарушению структуры и гибели клетки. Для ограничения перикисного окисления существует система антиоксидантной защиты, которая ингибирует образование свободных радикалов и разлагает токсичные продукты их окисления. Функционирование этой системы во многом зависит от алиментарно поступающих антиоксидантов: токоферолов, селена, серосодержащих аминокислот, аскорбиновой кислоты, рутина.
Метаболизм углеводов и жиров
Синтез жирных кислот (за исключением эссенциальных) может происходить из любых веществ, для которых конечным продуктом метаболизма является ацетил- Ко-А, но основным источником липогенеза являются углеводы. При излишнем количестве глюкозы в печени (после еды) и достаточных запасах гликогена глюкоза начинает разлагаться до предшественников жирных кислот. То есть если потребление углеводов превышает энергетические потребности организма, их избыток в дальнейшем превращается в жиры.
Регуляция метаболизма жирных кислот и глюкозы тесно связаны: повышенное окисление жирных кислот ингибирует утилизацию глюкозы. Поэтому инфузия жировых эмульсий с соответственным повышением уровня свободных жирных кислот в крови ослабляет действие инсулина на утилизацию глюкозы и стимулирует печеночный глюконеогенез. Этот момент немаловажен при парентеральном питании больных с изначально нарушенной толерантностью к глюкозе.
Секрет взаимосвязи
Взаимосвязь между обменом основных нутриентов осуществляется за счет существования общих предшественников и промежуточных продуктов метаболизма.
Наиболее важным общим продуктом метаболизма, участвующим во всех обменных процессах, является ацетил-Ко-А. Поток веществ в сторону липогенеза от углеводных и белковых источников через ацетил-Ко-А носит однонаправленный характер, поскольку в организме не существует механизма, обеспечивающего превращение этого двухуглеродного вещества в трехуглеродные соединения, необходимые для глюконеогенеза или синтеза заменимых аминокислот. Хотя при катаболизме липидов и происходит образование небольших количеств промежуточных трехуглеродных продуктов, оно малозначительно.
Общим конечным путем всех метаболических систем является цикл Кребса и реакции дыхательной цепи. Цикл лимонной кислоты является поставщиком двуокиси углерода для реакций синтеза жирных кислот и глюконеогенеза, образования мочевины и пуринов и пиримидинов. Взаимосвязь между процессами углеводного и азотного обмена достигается посредством промежуточных продуктов цикла Кребса. Другие звенья этого цикла являются предшественниками липонеогенеза.
Как уже отмечалось выше, основную роль в метаболизме нутриентов играет печень (см. табл. 5).
Таблица 5. Роль печени в метаболизме белков, жиров и углеводов
Норма потребления жиров
Физиологическим верхним пределом количественного обеспечения пожилого человека пищевыми жирами следует рассматривать 1 г/кг для возраста 60-75 лет и 0,8 г/кг для возраста старше 75 лет. Если в молодом и среднем возрасте 30 % от общего потребляемого количества жира должно быть представлено жирами растительного происхождения, а 70 %, соответственно, животными, то у лиц пожилого и старческого возраста представленное количественное соотношение растительных и животных жиров в определенной степени изменяется в сторону увеличения доли растительных жиров до 40 % в пожилом возрасте и до 50 % у лиц старше 75 лет (Goigot J. Et al., 1995 и др.).
Опасность развития атеросклероза, связанная с потреблением богатых холестерином продуктов и большим потреблением жира, не кажется такой критичной для пожилых людей, как для людей среднего возраста. Увеличение квоты жиров с ненасыщенной (по водороду) химической структурой для пожилых людей, и тем более для стариков, прежде всего имеет антиоксидантную направленность, существенно активизирующую санирующие функции организма, повышающие интенсивность процессов перикисного окисления липидов, различными путями интенсифицирующие защиту клеточных структур от свободнорадикального повреждения.
Геронтопротективные пищевые факторы
Важным прямым и опосредованным метаболическим аспектом растительных жиров в организме пожилого человека рассматривается использование стимулирующих возможностей растительных масел на различные физиологические процессы желудочно-кишечного тракта, других систем, начиная с активизации моторики кишечника, билиарной динамики (холекинетический и холеретический компоненты), усиления сорбционных свойств энтероцитов и т. п. и заканчивая многогранными эффектами, положительным влиянием на процессы клеточной регенерации, функции мембран, дифференцировки клеток, синтез многих простагландинов.
Полиненасыщенные жирные кислоты растительных жиров, в отличие от преимущественно энергетической сути насыщенных жирных кислот животных жиров, в стареющем организме с каждым годом его жизни играют все более значимые для противодействия старению функции: обеспечивают всевозрастающие потребности в витаминах и биологически активных веществах антиоксидантной направленности, восстанавливают прогрессирующее снижение цитопротективных свойств клеточных структур, особенно жизненно важных органов, нивелируют инволюционные расстройства мембран клеток и многое-многое другое.
По своей физиологической сути полиненасыщенные жирные кислоты наравне с так называемыми естественными пептидными биорегуляторами могут рассматриваться как геронтопротективные пищевые факторы, физиологическая значимость которых велика в любые периоды жизни человека, но особенно возрастает с наступлением пожилого, тем более старческого возраста.
Белки, жиры и углеводы помогают для организма стройматериалом и источником энергии.
Белки основной стройматериал, составляют 50% от сухой массы организма.
Белки в организме не запасаются, избыток белков преобразовывается в жиры либо углеводы. Сами белки из углеводов и липидов синтезировать запрещено, по причине того, что в жирах и углеводах нет азота. Недостаток белков в пище страшен, особенно для детей и подростков.
При окислении белков получается углекислый газ, вода и аммиак. Аммиак током крови доносится до печени и там преобразовывается в мочевину, которая выделяется с мочой и позже.
Углеводы основной источник энергии. При окислении глюкозы выделяется вода и углекислый газ.
Резервом, благодаря которому концентрация глюкозы в крови поддерживается на постоянном уровне, помогает запас гликогена в печени (запасающая функция). Избыток углеводов в организме преобразовывается в жиры.
Клетчатка (целлюлоза) усиливает моторику кишечника.
Жиры (липиды) запас энергии. При окислении жира выделяется вдвое больше энергии, чем при окислении грамма белка либо углевода, конечно вода и углекислый газ.
Жиры запасаются в подкожной жировой клетчатке и в прокладках между органами. Не считая запаса энергии, жировые ткани делают функции теплоизоляции, запаса воды и механической защиты.
Жиры в организме смогут образовываться из белков и из углеводов.
345. Наиболее страшен для ребёнка недостаток в пище
А) белков животного происхождения
Б) белков растительного происхождения
В) растительных углеводов
Г) животных жиров
391. Избыточное количество углеводов в организме ведет к
А) отравлению организма
Б) их превращению в белки
В) их превращению в жиры
Г) расщеплению на более простые вещества
544. В организме человека НЕ происходит превращение
А) белков в жиры
Б) углеводов в белки
В) углеводов в жиры
Г) органических веществ в неорганические
617. Стройматериалом и источником энергии для организма помогают
А) минеральные вещества
Б) углеводы и жиры
В) витамины
Г) ферменты
859. В организме человека Не имеет возможности происходить превращение
А) жиров в белки
Б) белков в углеводы
В) углеводов в жиры
Г) жиров в углеводы
1285. Главным источником энергии в организме являются
А) витамины
Б) ферменты
В) гормоны
Г) углеводы
1288. В клетках человека и животных в качестве стройматериала и источника энергии употребляются
А) гормоны и витамины
Б) вода и углекислый газ
В) неорганические вещества
Г) белки, жиры и углеводы
1287. В клетке липиды делают функцию
А) каталитическую
Б) транспортную
В) информационную
Г) энергетическую
1289. Жиры, как и глюкоза, делают в клетке функцию
А) строительную
Б) информационную
В) каталитическую
Г) энергетическую
1498. Вещества, которые содержат азот, образуются при биологическом окислении
А) белков
Б) жиров
В) углеводов
Г) глицерина
1715. Клетчатка, содержащаяся в сырых овощах и фруктах, употребляемых в пищу человеком, усиливает
А) пищеварение в желудке
Б) расщепление углеводов
В) моторную функцию кишечника
Г) всасывание питательных веществ в кровь
1945. Функция несложных углеводов в клетке
А) каталитическая
Б) энергетическая
В) хранение наследственной информации
Г) участие в биосинтезе белка
2081. Больше всего энергии выделяется при расщеплении 1 г
А) глюкозы
Б) белка
В) нуклеиновой кислоты
Г) жира
2127. Конечными продуктами обмена углеводов у человека являются
А) мочевина и этиловый спирт
Б) уксусная и молочная кислоты
В) пировиноградная и лимонная кислоты
Г) углекислый газ и вода
2138. Расщепление белков в организме человека завершается
А) выведением углекислого газа, воды и мочевины
Б) накоплением в клетках кислорода
В) превращением тепловой энергии в энергию химических связей
Г) образованием и накоплением антител в крови
2574. В организме человека конечными продуктами окисления органических веществ, не содержащих азота, являются
А) липиды
Б) вода и углекислый газ
В) аминокислоты
Г) глицерин и жирные кислоты
Ответы на тесты возможно взглянуть в разделе ЕГЭ
Конспект по экологии
Главнейшим источником энергии, определяющим тепловой баланс и термический режим биосферы Земли, является лучистая энергия Солнца.
Солнце освещает и обогревает Землю, поставляя энергию, которую зеленые растения используют для синтеза соединений, обеспечивающих их жизнедеятельность и потребляемых в пищу практически всеми остальными организмами. Кроме того, солнечная энергия поддерживает круговорот важнейших химических веществ и является движущей силой климатических и метеорологических систем, перераспределяющих тепло и влагу на земной поверхности.
Энергия Солнца излучается в космос в виде спектра ультрафиолетового, видимого светового и инфракрасного излучения и других форм лучистой или электромагнитной энергии.
Поверхности Земли достигают в основном ближнее ультрафиолетовое излучение, видимый свет и ближнее инфракрасное излучение. Около 34% лучистой энергии Солнца, достигшей поверхности Земли, сразу же отражается назад в космос облаками, пылью и другими веществами, находящимися в атмосфере, а также собственно поверхностью Земли. Подавляющая часть из остающихся 66% идет на нагревание атмосферы и суши, испарение и круговорот воды, преобразуется в энергию ветров. И лишь незначительная доля этой энергии (0,5%) улавливается зелеными растениями и используется в процессе фотосинтеза для образования органических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности организмов.
Основная доля вредного ионизирующего излучения Солнца. Особенно ультрафиолетовой радиации, поглощается молекулами озона (О3) в верхней части атмосферы (стратосфере) и водяным паром в нижней части атмосферы. Без этого экранирующего эффекта большинство современных форм жизни на Земле не могло бы существовать.
Таким образом, все живое на Земле существует за счёт незагрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.
Растения используют всего лишь 0,5 % солнечного света, достигающего Земли. Даже если бы люди существовали исключительно за счет солнечной энергии, они бы использовали еще меньшую часть ее. Таким образом, поступающей на Землю солнечной энергии вполне достаточно для удовлетворения любых мыслимых потребностей человечества. Поскольку вся солнечная энергия в конечном счете превращается в тепло, увеличение ее использования для хозяйственных нужд не должно повлиять на динамику биосферы. Солнечная энергия – абсолютно чистая энергия, имеющаяся в неисчерпаемом объеме и по неизменной цене (бесплатно). На ее поступление не влияют политическое эмбарго и экономические трудности. В то же время, она слишком рассеяна: чтобы она служила человечеству, ее надо сконцентрировать, и это препятствие вполне преодолимо.
Говоря об энергии, следует иметь в виду, что энергия – это способность производить работу или теплообмен между двумя объектами, обладающими разной температурой. Энергия различается по качеству или способности совершать полезную работу. Качество энергии – это мера ее эффективности. Энергия высокого качества характеризуется большой степенью упорядоченности, или концентрации, а значит, высокой способностью производить полезную работу. В качестве примеров носителей таких форм энергии можно привести электричество, каменный уголь, бензин, концентрированную солнечную энергию, а также высокотемпературное тепло и др. Энергии низкого качества свойственны неупорядоченность и малая способность производить полезную работу. Пример носителя такой энергии – низкотемпературное тепло в воздухе вокруг нас, в реке, озере, океане. Например, общее количество тепла в Атлантическом океане значительно превышает количество энергии высокого качества в нефтяных скважинах Саудовской Аравии. Но тепло настолько рассеяно в океане, что мы не в состоянии его использовать.
Говоря об энергии, следует напомнить о двух законах природы, которым энергия подчиняется.
Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии): энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной форму в другую. Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить её больше, чем затрачено: выход энергии всегда равен её затратам; нельзя из ничего получить нечто, за все нужно платить.
Второй закон термодинамики: при любых превращениях энергии часть её теряется в виде тепла. Это низкотемпературное тепло обычно рассеивается в окружающей среде и неспособно выполнять полезную работу.
При сгорании бензина высококачественной химической энергии в двигателе автомобиля в механическую и электрическую энергию превращается около 1%, остальные 99% в виде бесполезного тепла рассеиваются в окружающей среде и, в конечном счете, теряются в космическом пространстве. В лампе накаливания 5% электрической энергии превращается в полезное световое излучение, а 95% в виде тепла рассеивается в окружающей среде. Согласно первому закону термодинамики, энергия никогда не истощится, поскольку она не может ни возникать, ни исчезать. Но согласно второму закону термодинамики, общее количество концентрированной высококачественной энергии, которую мы можем получить из всех источников, постоянно сокращается, превращаясь в низкокачественную энергию. Мы не только не можем получить нечто из ничего, мы не в состоянии нарушить выравнивание качества энергии.
Большая часть неотражённой земной поверхностью солнечной радиации, в соответствии со вторым законом термодинамики, преобразуется в низкотемпературную тепловую энергию (излучение «дальнего» ИК диапазона) и излучается обратно в космическое пространство; количество энергии, возвращающейся в космос в виде тепла, зависит от наличия в атмосфере молекул воды, диоксида углерода, метана, оксида азота, озона и некоторых форм твердых частиц. Эти вещества, действуя наподобие избирательного фильтра, позволяют некоторым высококачественным формам лучистой энергии Солнца пройти сквозь атмосферу к земной поверхности и в то же время задерживают и поглощают (и повторно излучают назад) часть возникающего потока низкокачественного теплового излучения Земли.
Одной из важнейших характеристик состояния термодинамической системы является энтропия (превращение – <греч.>) - отношение количества теплоты, введённого в систему или отведённого от неё, к термодинамической температуре: dS = dQ/T . Можно утверждать, что энтропия характеризует количество энергии в системе, недоступной для совершения работы, т. е. недоступной для использования. Система обладает низкой энтропией, если в ней происходит непрерывное рассеяние упорядоченной энергии и превращение её в другой, менее упорядоченный вид, например, превращение энергии света или пищи в тепловую энергию. Поэтому часто энтропию определяют как меру неупорядоченности системы. Важнейшей особенностью организмов является их способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией.
Любое нагретое тело, в том числе и живое, будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды. В конечном счёте энергия любого тела может быть рассеяна в тепловой форме, после чего наступает состояние термодинамического равновесия, и любые энергетические процессы становятся невозможными, т. е. система приходит в состояние максимальной энтропии или минимальной упорядоченности.
Для того чтобы энтропия организма не возрастала в результате непрерывного рассеяния энергии путём её превращения из форм с высокой степенью упорядоченности (например, химической энергии пищи) в тепловую форму с минимальной степенью упорядоченности, организм должен непрерывно накапливать упорядоченную энергию извне, т. е. как бы извлекать извне "упорядоченность" или отрицательную энтропию.
Живые организмы извлекают отрицательную энтропию из пищи, используя упорядоченность ее химической энергии. Для того чтобы экологические системы и биосфера в целом имели возможность извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию, необходима энергетическая дотация, которая в действительности и получается в виде даровой солнечной энергии. Растения в процессе автотрофного питания – фотосинтеза создают органическое вещество с повышенным уровнем упорядоченности его химических связей, что и обусловливает уменьшение энтропии. Травоядные животные поедают растения, которых, в свою очередь, поедают хищники и т. д.
Первоначальным источником энергии для живых организмов служит энергия солнечного света. Фототрофы - растения и фотосинтезирующие микроорганизмы - непосредственно используют световую энергию для синтеза сложных органических веществ (жиров, белков, углеводов и др.), являющихся вторичными источниками энергии. Гетеротрофы, к которым относятся животные, используют химическую энергию, выделяющуюся при окислении органических веществ, синтезированных растениями.
Биоэнергетические процессы можно разделить на процессы производства и аккумуляции энергии и процессы, в которых за счет запасенной энергии выполняется полезная работа (Рис.1.1). Фотосинтез - основной биоэнергетический процесс на Земле. Это сложная многоступенчатая система фотофизических, фотохимических и темновых биохимических процессов, в которых энергия солнечного света трансформируется в химическую или электрохимическую формы энергии. В первом случае это энергия, заключенная в сложных органических молекулах, а во втором - энергия градиента протонов на мембранах, которая также преобразуется в химическую форму. В фотосинтезирующих организмах кванты солнечного света поглощаются молекулами хлорофилла и переводят их электроны в возбужденное состояние с повышенной энергией. Именно за счет энергии возбужденных электронов в молекулах хлорофилла фотосинтетическая система фототрофов из простых молекул углекислого газа и воды синтезирует глюкозу и другие органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, нуклеотиды и т.д.), из которых впоследствии в организме строятся углеводы, белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Продуктом этих реакций также является молекулярный кислород.
Суммарное уравнение основных реакций фотосинтеза:
6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 (глюкоза) + 6 O 2 ,
где hн - энергия фотонов.
Глобальная роль фотосинтеза исключительно велика. Мощность солнечного излучения порядка 10 26 Вт. Из нее до поверхности Земли доходит около 2 10 17 Вт, а из этой величины примерно 4 10 13 Вт используется фотосинтезирующими организмами для синтеза органических веществ (Самойлов, 2004). Эта энергия поддерживает жизнь на Земле. За счет нее синтезируется около 7,510 10 тонн биомассы в год (в расчете на углерод). При этом порядка 4 10 10 тонн углерода фиксируется фитопланктоном в океане и 3,510 10 тонн - растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами на суше.
Человечество потребляет продукты фотосинтеза в виде пищи, съедая органические вещества, первично произведенные растениями или вторично произведенные животными, поедающими растения, и в виде топлива, в качестве которого на 90 % используются ранее запасенные продукты фотосинтеза - нефть и уголь (остальную энергию дают атомные и гидроэлектростанции).
Извлечение энергии, накопленной фототрофными организмами, и ее последующее использование осуществляется в процессах питания и дыхания. При прохождении по пищеварительному тракту пища размельчается, клетки разрушаются и биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы) расщепляются на низкомолекулярные мономеры (аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты и сахара), которые в кишечнике всасываются в кровь и транспортируются по всему организму. Из них клетки извлекают атомы водорода, несущие высокоэнергетические электроны, энергию которых удается частично запасать в виде молекул аденозинтрифосфата (adenosine triphosphate, ATP). ATP - универсальный источник энергии, используемый как батарейка, там и тогда, где и когда необходимо выполнить полезную работу.