Обмен веществ и энергии
§ 1. Сущность обмена веществ и энергии
Отличительным признаком живых организмов являются энергетические траты и постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой.
Его сущность состоит в том, что из внешней среды в организм поступают разнообразные, богатые потенциальной химической энергией вещества; в организме они расщепляются на более простые; освобождающаяся при этом энергия обеспечивает протекание физиологических процессов и выполнение внешней работы.
Кроме того, поступающие в организм вещества используются для восстановления изнашиваемых и построения новых клеток и тканей и для образования гормонов и ферментов. Некоторые органические вещества при избыточном поступлении могут депонироваться, т. е. откладываться в организме в виде запасов. Образующиеся в процессе обмена продукты распада удаляются из организма во внешнюю среду органами выделения.
Питательными веществами, снабжающими организм энергией и строительным (пластическим) материалом, являются белки, жиры и углеводы. Кроме того, для нормального протекания обмена веществ в организме необходимо поступление витаминов, воды и минеральных солей.
Обмен веществ в организме является сложной системой связанных друг с другом реакций расщепления (диссимиляции) и синтеза (ассимиляции) органических веществ. При реакциях диссимиляции происходит освобождение потенциальной химической энергии, которая обеспечивает деятельность всех органов и выполнение внешней работы. Реакции синтеза требуют для своего осуществления притока энергии извне. Затрачиваемая при этом энергия превращается в потенциальную химическую энергию сложных молекул.
Все химические реакции в организме, в том числе переваривание пищи, окислительно-восстановительные и другие процессы осуществляются при участии биологических катализаторов (ферментов).
Обмен веществ и энергии в организме регулируется нервным и гуморальным путями. Регуляция, осуществляемая нервной системой, которой принадлежит особенно большая роль в этом процессе, происходит путем непосредственной посылки эфферентных нервных импульсов к тканям и через железы внутренней секреции, гормоны которых влияют на уровень обмена веществ и энергии. В изменении обмена веществ, обеспечивающем приспособление организма к различным условиям жизни, важное значение имеют условные рефлексы. Индифферентные раздражения после повторного сочетания с факторами, влияющими на обмен веществ и энергии, могут условнорефлекторным путем изменять его в нужном направлении.
§ 2. Обмен белков и его регуляция
Белки построены из аминокислот. Они являются основным пластическим материалом, из которого построены клетки и ткани организма. Например, в составе скелетных мышц находится около 20% белка. Наличием белка обусловлена сократительная функция мышечной ткани. Из белков состоят многие ферменты и гормоны. Белок крови гемоглобин участвует в транспорте кислорода. Белок фибриноген необходим для свертывания крови. Некоторые сложные белки — нуклеопротеиды имеют значение для передачи наследственных свойств.
Белки могут использоваться организмом и как источники энергии. При расщеплении белка из безазотистой части его молекулы образуются углеводы, дальнейшее превращение, которых обеспечивает освобождение энергии. Окисление 1 г белка освобождает 5,3 ккал.(17,6 кДж) Но азотистые продукты расщепления белка (мочевина, аммиак и др.) не подвергаются в организме дальнейшему окислению. Поэтому при окислении 1 г белка в организме освобождается столько же энергии, сколько и при окислении 1 г углеводов, т. е. 4,1 ккал.
Поступая в организм с пищей, белки расщепляются в кишечнике до аминокислот и в таком виде всасываются в кровь и транспортируются в печень. Часть поступивших в печень аминокислот подвергается дезаминированию и переаминированию. Эти процессы обеспечивают синтез некоторых аминокислот и белков. Из печени аминокислоты поступают в ткани и используются для синтеза белков. Избыточные белковые вещества, поступающие с пищей, превращаются в организме в углеводы и жиры.
Конечными продуктами расщепления белков в тканях являются аммиак, мочевина, мочевая кислота, креатинин и некоторые другие. Они выводятся из организма почками и частично потовыми железами.
О белковом обмене можно судить по азоту, так как он почти целиком поступает в организм с белковой пищей. Поэтому для характеристики белкового обмена в организме пользуются определением азотистого баланса, т. е. разницы между количеством азота, поступившего в организм, и количеством азота, выведенного из организма. У лиц, выполняющих среднюю по тяжести физическую работу, при потреблении 100—110 г белка в сутки наблюдается азотистое равновесие, т. е. выведение азота из организма равно его усвоению. Состояние, при котором усвоение азота превышает его выведение, называется положительным азотистым балансом. Оно характерно для растущего организма (за счет белков пищи происходит рост и увеличение массы тела). Положительный азотистый баланс может быть и у взрослых после голодания и заболеваний, вызвавших усиленный распад тканевых белков без достаточного их восстановления, а также у спортсменов, особенно в подготовительном периоде тренировки, одной из задач которого является развитие скелетной мускулатуры.
При полном и частичном (белковом) голодании и при некоторых заболеваниях усваивается меньше азота, чем выделяется. Такое состояние называется отрицательным азотистым балансом.
Нормальная жизнедеятельность организма возможна лишь при азотистом равновесии, или положительном азотистом балансе.
При поступлении в организм избыточного пищевого белка у взрослого человека азотистое равновесие не нарушается. Чем больше при этом содержится азота в пище, тем больше его выводится с мочой. В виде запасов белок в организме не откладывается. При голодании белки одних органов могут использоваться для поддержания жизнедеятельности других, более важных. При этом тратятся в первую очередь белки печени и скелетных мышц, и вес этих органов снижается. Вес же мозга и сердца и содержание в них белков остаются почти без изменения.
Обмен белков в организме регулируется нервными центрами, расположенными в подбугровой области промежуточного мозга. При экспериментальном повреждении у животных некоторых ядер этого отдела мозга усиливается белковый обмен, его баланс становится отрицательным, вследствие чего наступает резкое истощение. Нервная система влияет на белковый обмен через гормоны щитовидной железы, передней доли гипофиза (соматотропный гормон) и других желез внутренней секреции.