Обмен белков, углеводов и жиров

   Обмен веществ и энергии – это совокупность превращений веществ и энергии в живых телах и обмен веществ и энергией между организмом и окружающей средой, направленный на воспроизведение живой структуры. Это основное свойство которое отличает живое от неживого. Все организмы обмениваются с окружающей средой веществом, энергией, информацией.

   В зависимости от способа получения углеводов делятся на :

l  Аутотрофные – используют в качестве источника углевода углекислый газ, из которого они способны синтезировать органические соединения

l  Гетероторофные- питающиеся за счет других. Живут за счет получения углевода в виде сложных органических соединений, например глюкозы.

По форме потребляемой энергии :

l  Фототрофные – используют энергию солнечного света. Сине-зеленые водоросли, зеленые клетки растений, фотоситещирующие бактерии.

l  Хемотрофные – клетки, которые живут за счет химической энергии, освобождающейся в ходе окислительо-востановительных процессов.

   Принято выделять промежуточный обмен – превращение веществ и энергии в организме с момента поступления переваренных веществ в кровь и до момента выделения конечных продуктов. Он складывается из 2х процессов – катаболизма – диссимиляции и анаболизма – ассимиляция.

   Катаболизм – расщепление крупных молекул окислительным путем, процесс идет с освобождением энергии, заключенной в химических связях. Эта энергия запасается в АТФ.

   Анаболизм – ферментативный синтез из более простых соединений крупномолекулярных клеточных элементов. Происходит образование полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот, липидов. Процессы анаболизма идут с поглощением энергии.

   Процессы анаболизма и катаболизма тесно взаимосвязаны и протекаю через определенные стадии.

   Процессы катаболизма.

1-ая стадия – крупные органические молекулы распадаются на структурные специфические блоки. Полисахариды распадаются до пептоз и гексоз, белки до аминокислот, жиры до глицерина и ирных кислот, холестерина. Нуклеиновые кислоты до нуклеотидов и нуклеозтдов.

2-ая стадия катаболизма – характеризуется образованием более простых молекул, их число уменьшается и существенным моментом является образование продуктов, которые являются общими для обмена разных веществ. Это узловые станции, которые соединяют разные пути обмена. Фумарат, сукцинат, пируват, ацетил-КоА, альфа-кетоглутарат.

3-я стадия – эти соединения вступают в процессы терминального окисления, котоыре осуществляются в цикле трикарбоновых кислот. Происходит из окончательный распад до углекислого газа и воды.

Процессы анаболизма протекают тоже в три стадии.

1-ая стадия анаболизма может рассматриваться как третья стадия катаболизма. Исходные продукты синтеза белка – альфа-кетокислоты. Они также нужны для образования аминокислот, т.к. на следующей стадии к альфа-кетокислотам присоединяются аминогруппы. Что происходит в реакциях аминирования и трансаминирования – способствуют превращению альфа-кетокисот в  аминокислоты. Дальше синтезируются полипептидные цепи белка.

Обмен веществ имеет 3 ключевых значения :

1. Пластическое – синтез органических соединений – белков, углеводов, липидов, клеточных компонентов.
2. Энергетическое значение – происходит извлечение энергии из окружающей среды и преобразуется в энергию макроэргических соединений.
3. Обезвреживающее значение. Обезвреживаются продукты распада веществ и осуществляется их выведение. Обмен веществ – как химическое производство, а все хим. Заводы образуют побочные продукты, которые загрязняют окружающую среду.

Методы изучения делятся на :

l  Обмена веществ – основной метод – метод составления баланса. По соотношению веществ, поступивших в организм с пищей с продуктами  и продуктами выделения. Содержание питательных веществ могут быть определены по таблицам – сколько белка, жира и углевода. Или содержание питательных веществ может быть определено экспериментально. Белок может быть определено по количеству полученного азота. Содержание жира – извлекают жир эфиром, а углеводы определяют колориметрическим способом. Конечные продукты распада – углекислый газ и вода, а белки дают содержащие продукты, но они выводятся из организма с мочой.

l  Обмена энергии

Обмен белка.

Белки имеют особое значение для организма. Они обладают двумя функциями :

1. Пластическая – входят в состав всех веществ,
2. Энергетическая – 1 г белка дает 4,0 ккал (16,7 кДж), 1 ккал = 4,1185 кДж.

   Нормы суточного потребления отличаются в разных странах : 1-1,5 г/кг в России,  0,5-0,8 г/кг – США. Для детей – от 1 до 4 лет – 4 г/кг, так как ребенок растет.

   Организм получает белок из двух источников :

• Экзогенный белок – белок пищи – 75-120 г/сутки
• Эндогенный белок – секреторные белки, белки кишечного эпителия – 30 – 40 г/сутки.

   Эти источники обеспечивают поступление белка в пищеварительный тракт, где будет происходит его расщепление до аминокислот. Распад аминокислот происходит в печени – дезаминирование, трансаминирование, когда аминокислота теряет группу и превращается в аммиак, аммоний или мочевину, и эти продукты подлежат выведению из организма.

  Особенностью белка является то, что он построен из 20 аминокислот. Аминокислоты могут быть заменимыми и незаменимыми(не могут синтезироваться в организма – триптофан, лизин, лейцин, валин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, гистидин и аргинин). Полноценные белки – содержат незаменимые аминокислоты. Неполноценные белки – содержат не все незаменимые аминокислоты.

  Биологическая ценность белка – под ней понимается то количество белка, специфическое для данного организма, которое образуется из 100 г поступившего белка с пищей. Молоко – 100, кукуруза – 30, пшеничного хлеба — 40.

   Аминокислоты, которые образуются в кишечнике в ходе расщепления белка подвергаются процессам всасывания, причем для аминокислот существуют специфические натрий зависимые переносчики. Такой комплекс проходит через мембрану. Аминокислоты поступят в кровь, а натрий будет в натрий – калиевой АТФазе (насоса), который поддерживает градиент для натрия. Такой транспорт называется вторично активным. L-изомеры аминокислот проникают легче, чем D. На транспорт аминокислот влияет строение молекулы. Легко проходит аргинин, метионин, лейцин. Фенилаланин проникает медленней. Очень плохо всасывается аланин и серин. Одни аминокислоты могут способствовать прохождению других. Например глицин и метионин облегчают поход друг другу.

   Распад осуществляется в печени. Основной путь распада – дезаминирование, в ходе которого образуются без азотистый остаток и образуется азотистые соединения. Без азотистые осадки могут превращаться в углеводы и жиры и затем использовать в ходе получения энергии. Азотистые соединения удаляются с мочой. Второй путь  - это трансаминирование. Идет с участием трансаминаз. При повреждении клеток трансаминазы могут проходить в плазму крови. При гепатитах, инфарктах увеличивается содержание трансаминаз в крови. Это диагностический признак.

Метод азотистого баланса.

   Отложить азот про запас не возможно. В крови запас аминокислот составляет 35-65мг %. Существует понятие минимума (1 г на 1кг веса). Азот в белке содержится в строго определенных соотношения   - 1 г азота содержится в 6,25 г белка. Для определения азотистого баланса нужно знать поступление белка с пищей. Часть белка пройдет через ЖКТ транзитом. Нужно определить азот кала. По разнице азота пищи и азота кала, мы определим азот усвоенного белка, т.е. тот, который поступил в кровь и пошел в реакции обмена. Распавшийся белок оценивается по азоту мочи. Азотистый баланс оценивается между усвоенным и распавшимся :

 A-B=C.

Состояние азотистого баланса:

l  А-B=C – азотистое равновесие, у здорового взрослого человека с достаточным потреблением белка с пищей. Чтобы поддержать надо употреблять 1 г белка на кг веса. Но это равновесие может быть не устойчиво – стресс, физическая работа, тяжелые заболевания.

l  Белковый оптимум – 1,5 кг тела. Из этого нужно строить свой рацион

l  А-B>C – положительный азотистый баланс. Это состояние характерно у растущего организма. Задержка белка в организме, и он расходуется на процессы роста. Это может быть состояние при тренировках – нарастание массы мышц. Процесс восстановления организма после заболевания, при беременности.

l  A-B<С. Распад преобладает над усвоением – отрицательный азотистый баланс – в старческом возрасте, пр белковом голодании или употреблении не полноценных белков и при тяжелых заболеваниях, сопровождающихся распадом ткани.

Углеводный обмен.

Человек получает углеводы в трёх формах. Это :

1. Дисахарид сахарозы
2. Дисахарид лактозы
3. Полисахариды
   • Амилоза с неразветвленной цепью
   • Аминопептин – с разветвленной цепью
   • Целлюлоза – с растительными продуктами. Но нет фермента для ее расщепления

    Суточное потребление углеводов составляет от 250 до 800, 7 г.кг.сутки. Энергетическая ценность глюкозы составляет 1г., глюкозы – 3,75 ккал. или 15,7 кДж.

  В пищеварительном тракте углеводы распадаются до моносахаридов, которые подвергаются всасыванию. Начальное расщепление осуществляется амилазой слюны. Основное переваривание в тонкой кишке. Поджелудочная амилаза расщепляет углеводы до олигосахаридов. Далее расщепляются до моносахаридов углеводистыми ферментами в тонкой кишке. Здесь имеются 4 фермента – мальтаза, изомальтаза, лактаза и сахараза.

Конечные продукты расщепления – фруктоза, глюкоза и галактоза. Галактоза и фруктоза отличаются от глюкозы положением групп H и OH. Всасывание – вторичный натрий зависимый транспорт. Переносчики для углеводов присоединяют глюкозу и 2 иона натрия и такой комплекс проходит в клетку за счет разницы концентраций и зарядов натрия. Фруктоза проникает путем облегченной диффузии. Причем внутри клеток эпителия фруктоза превращается в глюкозу и молочную кислоту. Это поддерживает градиент для преодоления глюкозы. Кишечник может всосать до 5 кг углеводов в день. Если нарушается процесс всасывания, то изменяется осмотическое давление(повышается), вода выходит в просвет кишечника – понос. Углеводы подвергаются брожению с образованием газов. Водород, метан и углекислый газ. Они являются раздражающими для слизистой оболочки. На мембране кишечного эпителия – недостаток лактазы, который расщепляет молочный сахар. Очень тяжелое состояние для детей. Если нет лактазы – проблемы с кишечником.

Пути использования моносахаридов в организме.

   Они поступают в кровь и образуют сахар крови с нормальным содержанием 3,3-6,1 ммоль/л  или 70-120 мг %. Далее поступают в печень и откладываются в виде гликогена. Могут превращаться в гликоген мышц и использоваться при мышечном сокращении. Углеводы могут превращаться в жиры и откладываться в жировых депо, что используется для вскармливания сельскохозяйственнных животных. Углеводы могут превращаться в аминокислоты при присоединение NH2. Они служат энергетическим источником. Для синтеза гликолипидов, гликопротеинов. Поддержание уровня сахара в крови происходит за счет гормонов поджелудочной железы – инсулин (способствует отложению гликогенов), глюкагон – появляется при снижении уровня глюкозы в крови, способствует распаду гликогена в печени. Содержание сахара увеличивает адреналин – увеличивает распад гликогена. Глюкокортикоиды – стимулируют процессы глюконеогенеза. Тироксин(щитовидная железа) Усиливает всасывание глюкозы в кишечнике.

Жировой обмен.

Мужчина -12-18 %, свыше 20% - ожирение, женщина 18-24% , свыше 25% - ожирение.

Суточное потребление жира – от 25 до 160 г или 1 г жира на 1 кг веса. Энергетическая ценность 1 г жира – 9,0 ккал или 37,7 кДж.

Этапы превращения  жиров  в организме.

1. Эмульгирование(образование капель размером 0,5-1 мкм)
2. Расщепление липазами до глицерина и жирных кислот
3. Образование мицелл(4-6 нм в диаметре) которые содержат – глицерин, жирные кислоты, желчные соли, лецитин, холестерин, жирорастворимые витамины А,Д,Е,К
4. Всасывание мицелл в энтероциты.
5. Далее идет образование хиломикронов (до100 нм в диаметре), которые содержат – триглицерилы – 86%, холестерин – 3%, фосфолипиды – 9%, протеины -2 %, витамины.
6. Извлечение из крови хиломикронов при участии фермента липопротеиновой липазы и кофермента гепарина.
7. Распад эногенных жиров в жировых клетках происходит под влиянием гормон-зависимой липазы , которая активируется – адреналином, норадреналином, АКТГ, тиреотропным, лютеотропным гормонными, вазопрессином и серотонином.
8. тормозится – инсулином, простагланином Е.

   Комплексы с липопротеинами низкой плотности очень легко проникают через стенку кровеносных сосудов, что приводит к атеросклерозу. Липопротеиы высокой плотности – там развитие атеросклероза меньше. Липопротеины высокой плотности увеличиваются при :

• регулярной физической нагрузке
• у тех ,кто не курит.

   Вещества, образующиеся из ненасыщенных жирных кислот – арахидоновой, линолевой и линоленовой, содержат в своем составе 20 атомов углевода :

1. Простогландины
2. Лейкотриены
3. Простациклеин
4. Тромбоксан А2 и Б2
5. Липоксины А и Б.

  Лейкотриены – это медиаторы аллергических и воспалительных реакций. Они вызывают сужение бронхов, сужение артериолл, повышение проницаемости сосудов, выход нейтрофилов и эозинофилов в очаг воспаления.

   Липоксин А – расширяет микроциркуляторные сосуды, оба липоксина А и Б тормозят цитотоксический эффект Т-киллеров.

Энергетический обмен.

   Все проявления биологических процессов связаны с превращением Е. Изучение энергетических процессов даёт нам представление о ходе самого процесса. Получая энергию с пищевыми продуктами, мы получаем макроэргическую энергию (механическая, электрическая, тепловая и другая энергия). За счет этой Е мы способны совершать внешнюю работу, на которую тратиться 20% энергии, а остальное – это тканевая энергия. Соотношение между поступившей и выделившейся энергией  называется энергетическим балансом, который находится в состоянии равновесия. Запасание Е в организме не превышает 1 % энергии. Изучение энергетического баланса имеет теоретическое( приложимость закона сохранения Е и к живым системам) и практическое значение (даёт возможность для научного обоснования правильного составления рациона).

   Энергетическая ценность питательных веществ определяется колориметрическим методом, т.е. сжигание веществ в колориметре. Были определены колориметрические коэффициенты :

Белки – 5,7 ккал/г

Углеводы – 3,75 ккал/г

Жиры – 9,0 ккал/г.

В организме происходит распад окислительным путем, но до углекислого газа и воды (при поступлении в организм).

Правило Гесса (1836) :

Тепловой эффект химического процесса, развивающийся через ряд последовательных реакций, не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состоянием веществ, участвующих в реакции.

   В организме 1 г белка дает 4 ккал/г. Зная количество граммов поглощенных веществ мы можем высчитать энергетический баланс. Для определения расхода Е были предложен метод прямой колориметрии, основанный на определении количества всей тепловой энергии. Были сконструированы колориметры и для человека. Это специальные камеры, в которые можно поместить человека и исследовать выделение энергии.

   Метод прямой колориметрии обладает высокой точностью. Этот метод довольно трудоемкий. Этот метод не позволяет исследовать энергетический обмен при разных видах труда. В практическом отношении изучение энергии используют метод непрямой колориметрии. Этот метод основан на определении энергозатрат организмом косвенно по количеству потребленного кислорода и выделенного углекислого газа.

Реакция окисления глюкозы :

C6H12O6 + 6O2= 6CO2 + 6H2O + E,

E=2827 кДж, или 675 ккал/моль, 1 моль глюкозы = 180 г. При окислении 1 г глюкозы будет выделяться 15,7 кДж, или, 3,75 ккал/г.

   Чтобы определить, что подвергается окислению, было предложено определение дыхательного коэффициента – отношение выделившегося углекислого газа к количеству поглощенного кислорода. Дыхательный коэффициент для углеводов будет равен 1.

Окисление жира – трипальмитина :

2С51H98O6 + 145 O2= 102 CO2 + 98 H2O,

Следовательно, ДК=102 CO2:145O2=0,7

   В случае окисления глюкозы – кислород для воды получается из внутримолекулярного кислорода глюкозы и получаемый кислород идет на CO2. В жирах внутримолекулярного кислорода мало, поэтому он идет не только на CO2, но и на воду.

Определение дыхательного коэффициента дает нам установить, какие продукты подвергаются окислению.

 Для метода непрямой колориметрии используется еще один показатель – калорический эквивалент кислорода – количество выделившейся энергии в окислительном процессе при поглощении одного литра кислорода.

1 моль O2 = 22,4 л, а 6 молей O2 занимают объем 134,4 л

КЭ (О2) = 2827 кДж : 134,4л=21,2 кДж/л

Калорический эквивалент кислорода будет зависеть от дыхательного коэффициента.

При уменьшении дыхательного коэффициента на 0,01 калорический эквивалент кислорода уменьшается на 12 малых калорий.

E=[5050+-(12n)] x V(O2) в л/ мин.,

где n – число сотых, на которое отличается дыхательный коэффициент.. При изменении ДК на 1 сотую КЭ O2 изменяется на 12 кал. Метод непрямой колориметрии дает подойти к изучению энергии в организме.

   Дыхательный коэффициент иногда может быть больше 1. Это происходит в восстановительный период, после совершения мышечной работы. Это связано с тем, что в мышцах, во время нагрузки происходит накопление молочной кислоты и после прекращения нагрузки, молочная кислота начинает вытеснять углекислый газ из бикарбоната. Количество выделившегося углекислого газа может оказаться больше, чем поглощено кислорода.

Еще дыхательный коэффициент может быть больше 1, при переходе углеводов в жиры. Жиры требуют меньшего количества кислорода, для построения молекул. Часть кислорода используется в процессах окисления.

    При изучении обмена энергии выделяют основной и общий обмен энергии.

   Под основным понимается – величина энергетического обмена для бодрствующего организма в условиях физического и эмоционального покоя, при предельно возможном ограничении функций организма (момент пробуждения). Энергетические затраты в этом состоянии связаны с поддержанием окислительных процессов в клетке. Энергия расходуется на деятельность постоянно работающих органов – почки, печень, сердце, дыхательные мышцы, поддержание минимального тонуса мускулатуры. Исследуют основной обмен при соблюдении следующих условий : положение лежа, мышечный покой, расслабленная поза, при исключении эмоциональных раздражителей, состояние натощак (через 12 часов), при температуре комфорта – 18-20 градусов, при бодрствовании. При таких условиях для среднего мужчины – 1300-1600 ккал. У женщин на 10% меньше, т.е. 1200-1400. Для сравнения основной обмен определяют на кг веса тела – на 1 кг веса тела расходуется 1 ккал за 1 час.

   При сопоставлении величины основного обмена у животных, оказалось что чем меньше масса, тем больше будет основной обмен. У мыши – 17 ккал на 1 кг за час. У лошади – 0,5 ккал на 1 кг веса тела. Если расчет производить на 1 поверхности, то величина примерно одинаковая.

 Рубнер сформулировал закон поверхности, согласно которому величина основного обмена зависит от соотношения поверхности и массы тела. У человека на 1 кв.м. поверхности выделяется 1000 ккал.

Этот закон не абсолютен, т.е. при одинаковой S поверхности, величина основного обмена у людей может быть различна. Интенсивность обмена энергии определяется не только теплоотдачей, но и теплопродукцией. Теплопродукция зависит от состояния нервной и эндокринной системы. На величину основного обмена влияет возраст. У детей основной обмен выше, чем у взрослых. Это связано с большей интенсивностью окислительных процессов и с ростом организма. Величина основного обмена начинает возрастать со второй половины первого дня жизни и достигает максимальной величины к полутора годам. У новорожденного – величина основного обмена – 50-54 ккал на кг за сутки. В полтора года эта величина 55-60 ккал на кг за сутки. Половые различия – начинают проявляться со второй половины первого года жизни, когда основной обмен у мальчиков становится больше, чем у девочек. Повышение температуры тела на 1 градус увеличивают величину основного обмена на 10%.

   Состояние нервной и эндокринной системы – увеличивают гормоны щитовидной железы, гормон роста и адреналин. Систематическое занятие спортом повышает основной обмен, а прекращение резко снижает. Люди, не употребляющие мясо – вегетарианцы, имеют основной обмен ниже. Курение повышает основной обмен на 9%. На основной обмен также влияют внешние факторы. Сезонные колебания – температура, солнечная радиация. В зимние месяцы основной обмен понижен. Затем он начинает повышаться и максимален в летние месяцы. У людей, проживающих на севере, в условиях полярно ночи – снижение основного обмена. Если человек переезжает в среднюю полосу – повышение обмена. Повышение окружающей температуры – снижает основной обмен. Понижение – повышает основной обмен. Определение основного обмена имеет большое клиническое значение. В работе половых желез гипофиза. Для практических целях определяют величину основного обмена по таблицам, которые учитывают вес, возраст, пол.

Отклонение от стандарта не должно превышать 10 %.

В энергетическом обмене выделяют также общий обмен, который складывается из основного обмена и дополнительных энергетических трат, связанных с приемом пищи и выполнением работы в течении суток. Если взять распределение в процентном отношении, то основной обмен затратит 60%. Специфическое динамическое действие пищи добавляет 8% энерготрат. Энергозатраты, связанные с направленной физической нагрузкой 25% и мышечная нагрузка 7%.

Прием пищи оказывает увеличение энергозатрат – это и есть специфическое динамическое действие пищи. Смешанная пища повышает обмен на 15-20%. Изолировано белки повышают на 30-40%, углеводы на 5-10%, жиры на 2-5%.

Основное значение – влияние пищи на процессы клеточного обмена. Происходит усиление химических реакций в клетках, что повышает уровень обмена веществ. Основной расход – синтез белковых клеточных компонентов. У новорожденных отмечается, что каждое кормление увеличивает специфическое – динамическое действие пищи. Максимально при 40-50 вскармливании. Физическая активность является мощным фактором, увеличивающим энергозатраты.

Расход энергии в зависимости от профессиональной деятельности обозначается в зависимости от категории профессий

Коэффициент физической активности – это отношение общих энергозатрат за сутки к величине основного обмена.

Регуляция обмена веществ.

В ходе обмена веществ различают два взаимосвязанных процесса – анаболизма и катаболизма.

                   Анаболизм                                                                                                                                      Катаболизм

                     гликоген                                                   глюкоза                                                                         гликоген

                         ТАГ                                                         жиры                                                                               ТАГ

                        белки                                                 аминокислоты                                                                     белки

Глюкоза переходит в гликоген, жирные кислоты –  в триацилглицериды, аминокислоты – в белки.

Процессы обмена веществ регулируются различными веществами :

анаболизм – инсулином, половыми гормонами, гормон роста, тироксин.

катаболизм – глюкагоном, адреналином, глюкокортикоидами.

   Нервная регуляция обменных процессов связано с гипоталамической областью. Разрушение вентромедиальных ядер гипоталамуса повышает потребление пищи и вызывает ожирение. Разрушение латеральных ядер сопровождается отказом от пищи и вызывает похудание. Раздражение паравентрикулярного ядра вызывает жажду, и увеличивает потребность в воде. Укол в области продолговатого мозга вызывает стойкое повышение уровня сахара в крови.

Питание.

   Питание – процесс поступления, переваривания, всасывания и усвоения в организме пищевых веществ(нутриентов),                   необходимых для покрытия пластических и энергетических нужд организма, образования физиологически активных веществ.

     Нутрициология – это наука о питании.

Различают питание :

• Естественное
• Искусственное – клиническое парентеральное, зондовое энтеральное
• Лечебное
• Лечебно-профилактическое.

Принципы составления пищевого рациона.

1. Калорийная ценность пищи – для восполнения энергозатрат.
2. Качественный состав пищи(содержание белков, жиров, углеводов)
3. Витаминный состав
4. Минеральный состав
5. Усвояемость пищевых веществ

Сбалансированное питание — это питание, которое характеризуется оптимальным соотношением количества и компонентов пищи физиологическим потребностям организма.  

Адекватное питание — это питание, при котором имеется соответствие между пищевыми веществами рациона и ферментным и изоферментным спектром пищеварительной системы.

Распределение пищевой ценности при трёхразовом питании :

25-30%-завтрак

45-50%- на обед

25-30% -  на ужин

Распределение пищевой ценности при пятиразовом питании :

20% - первый завтрак

5-10% - второй завтрак

30% -обед

25% - полдник

10% - ужин.