Модуль 2. Регуляторные системы организма и их возрастные особенности Модуль 3. Обмен энергии и терморегуляция на разных возрастных группах

3.1. Обмен энергии

Обмен веществ и энергии. Одна из основных функций организ­ма — обмен веществ и энергии с окружающей средой, т.е. непрерыв­ные процессы поступления в организм необходимых для его жизни веществ и выделения из него продуктов распада. В клетках и тканях организма постоянно идут процессы синтеза одних веществ и разру­шения других, сопровождающиеся поглощением или выделением энергии. Единство этих противоположных процессов показывает неразрывную связь организма и внешней среды.

Данный всеобщий процесс — одна из важнейших качественных особенностей живой природы и основная функция живого организма, с прекращением которой заканчивается жизнь. Сложные процессы развития ребенка происходят за счет постоянно протекающего в ор­ганизме процесса обмена веществ и энергии.

Обмен веществ (метаболизм) обеспечивает жизнедеятельность организма при взаимосвязи с внешней средой (рис. 12). Потребляя пищу и кислород, организм использует эти вещества для получения энергии, которую затем выделяет в окружающую среду в виде тепла или тратит на механические перемещения предметов или частей собственного тела. Суммарное потребление энергии организмом должно быть равно суммарному количеству энергии, которое выделя­ется им в процессе жизнедеятельности. В растущем организме неболь­шая доля энергии (5 —7 %) аккумулируется в виде новых структур, молекул, клеток, и поэтому такой организм выделяет в окружающий мир чуть меньше энергии, чем потребляет.

Метаболизм — основное условие жизни, включающий два разно­направленных процесса: анаболизм и катаболизм. Анаболизм, основу которого составляют процессы ассимиляции, обеспечивает рост, раз­витие, обновление биологических структур. В основе катаболизма лежат процессы диссимиляции, т.е. расщепление сложных молекул пищевых белков, жиров и углеводов до простых веществ с выделением энергии, необходимой для обеспечения всех процессов жизнедеятель­ности. Движущей силой жизнедеятельности служит катаболизм.

Процессы ассимиляции и диссимиляции в здоровом взрослом организме находятся в динамическом равновесии.

Катаболизм: Анаболизм:

диссимиляция, энергетический ассимиляция, пластический

обмен —распад, расщепление Метаболизм обмен —синтез

органических веществ органических веществ

Животные и растительные Строение и рост организма

белки, жиры, углеводы и Н₂0

Распад органических веществ

для получения энергии

Энергия АТФ используется

для всех жизненных процессов

Н₂0 Продукты Синтез органических веществ,

распада свойственных человеку,

с поглощением энергии

Рис. 12. Обмен веществ и энергии в организме

В детстве, когда происходит усиленный рост, преобладают процессы ассимиляции, в старости — процессы диссимиляции. Эта закономерность может на­рушаться в результате различных заболеваний и действия других экстремальных факторов окружающей среды.

Чем младше ребенок, тем интенсивнее обмен веществ, т.е. тем больше вырабатывается энергии и синтезируется белка, которые за­трачиваются на процессы роста и развития. Так, основной обмен детей 7 лет в 2 —2,5 раза интенсивнее основного обмена взрослого. Вместе с тем в детском и подростковом возрасте в связи с несовер­шенством нервной и эндокринной (гормональной) систем снижает­ся возможность растущего организма адаптироваться к изменяю­щейся внешней среде. Обмен веществ тесно связан с превращением энергии.

Единственный источник энергии для живого организма — хими­ческий процесс биологического окисления белков, жиров и углеводов. Если организм на некоторое время лишен пищи, то его жизнедея­тельность поддерживается за счет окисления накопленных заранее резервов углеводов (в печени и мышцах), жиров (жировая ткань), а также белков (мышечная ткань). В этом случае главным является достаточное энергоснабжение нервных клеток, от которых зависит управление всеми функциями организма. Гибель нервной системы означает гибель организма. Кроме того, энергия необходима клеткам организма для совершения внешней работы: мышечного сокращения и секреторной деятельности.

Химический процесс биологического окисления не отличается от процесса горения, однако протекает медленнее, что имеет глубокий биологический смысл, позволяя организму максимально полно ис­пользовать энергию, заключенную в химических связях окисляемых веществ. В процессе биологического окисления энергия химических связей питательных веществ (углеводов, белков, жиров) преобразует­ся в энергию других химических связей. В организме человека таким веществом, в химической структуре которого имеются связи, выпол­няющие функцию накопителей энергии, является аденозинтрифос-форная кислота (АТФ). Эти энергетические связи молекул АТФ легко разрушаются при разнообразных внутриклеточных реакциях, а энер­гия их не рассеивается в пространстве, а используется на движение или химическое взаимодействие молекул. Именно поэтому молекулы АТФ выполняют в клетке функцию накопителя энергии. При этом следует заметить, что крупные размеры молекулы АТФ не позволяют ей проходить через клеточную мембрану, поэтому каждая клетка син­тезирует АТФ самостоятельно в тех количествах, которые необходимы ей для выполнения своих функций.

Углеводы — составная часть питательных веществ, именно они используются в организме для производства энергии. Процессы пер­вичного окисления глюкозы осуществляются непосредственно в ци­топлазме клетки, где расположены ферментные комплексы, благода­ря которым молекула глюкозы частично разрушается, а освободивша­яся энергия запасается в виде АТФ. Этот процесс носит название анаэробного (бескислородного) гликолиза. Он протекает во всех клетках организма, и в результате этой реакции из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты и две молекулы АТФ. Гликолиз — быстрый, но малоэффективный процесс, поскольку пировиноградная кислота содержит в себе еще много по­тенциальной химической энергии, но для ее дальнейшего окисления необходимы специальные ферменты и кислород. Образовавшаяся в клетке после завершения гликолиза пировиноградная кислота пре­вращается в молочную кислоту, которая порой в весьма больших ко­личествах выходит в кровь, нарушая гомеостаз, и организму прихо­дится включать процессы саморегуляции для нормализации констан­ты кислотного состава крови.

Процесс дальнейшего окисления пировиноградной кислоты про­исходит во многих клетках, в которых содержатся специальные орга-неллы — митохондрии и где процесс окисления протекает с участием кислорода — аэробный гликолиз. Каждая молекула пировиноградной кислоты, пройдя полный цикл окисления в митохондрии, позволяет получить 17 молекул АТФ. В результате этих двух стадий окисления — анаэробного и аэробного гликолиза — одна молекула глюкозы обес­печивает клетку 36 молекулами АТФ. В процесс митохондриального окисления могут включаться также жирные кислоты и аминокислоты, т. е. составляющие белков и жиров, иными словами, энергетика клет­ки не зависит оттого, какими продуктами питается организм.

Разные ткани обладают различной насыщенностью митохондри­ями. Меньше всего их в костях и белом жире, больше всего — в буром жире, печени, почках, нервных клетках. В мышцах невысокая кон­центрация митохондрий, но они самая массивная ткань организма, поэтому именно потребности мышц определяют интенсивность про­цессов энергетического обмена. Для развивающегося организма важ­ной статьей энергозатрат является собственно рост и развитие.

Энергетический обмен представляет собой наиболее интеграль­ную функцию организма. Деятельность любого органа, любая функ­циональная активность неминуемо отражается на энергетическом метаболизме, поскольку по закону сохранения, не имеющему исклю­чений, любой акт, связанный с преобразованием вещества, сопро­вождается расходованием энергии.

Энергозатраты организма складываются из двух частей — основно­го и рабочего обмена. Энергетические затраты, идущие на поддержание жизни организма в покое, называются основным обменом, а энергети­ческие затраты, идущие на процессы его жизнедеятельности (передви­жение в пространстве, выполнение работы и т.д.), — рабочим обменом. Соотношение между этими частями определяется этапом индивидуаль­ного развития и конкретными условиями среды обитания.

Основной обмен отражает минимальный уровень расхода энергии для поддержания жизнедеятельности организма. Минимальная по­требность организма в энергии существует даже в условиях полного покоя (например, спокойного сна), когда на организм никакие акти­вирующие факторы не действуют, но необходимо поддержание опре­деленной активности головного мозга и желез внутренней секреции, печени и желудочно-кишечного тракта, сердца и сосудов, дыхательных мышц и легочной ткани, тонической гладкой мускулатуры и т.п.

Основной обмен характеризуется количеством энергии, которое расходует человек утром лежа, натощак (не ранее чем через 12 ч после приема пищи) при температуре комфорта (18... 20 °С), т.е. в условиях относительного физического и психического покоя. Энергия основ­ного обмена тратится на поддержание жизненных процессов в клетках, тканях и органах, а у детей включает и расход энергии на процессы роста и развития.

Величина основного обмена зависит от интенсивности окисли­тельных процессов и для каждого человека является относительно постоянной величиной, зависящей от функционального состояния нервной, эндокринной систем, возраста, пола, роста, массы тела и физиологического состояния организма.

У детей основной обмен веществ высокий, а масса тела незначи­тельна. С возрастом изменяется как интенсивность окислительных процессов, так и масса тела. Обмен веществ у детей всегда выше, чем у взрослых, и не бывает постоянным даже в пределах одной возрастной группы, так как тесно связан с процессами роста и развития организ­ма и состоянием нервной системы.

У людей среднего возраста интенсивность окислительных процес­сов и масса тела относительно постоянны, а следовательно, относи­тельно постоянен и основной обмен. У здорового человека в возрасте 16—17 лет уровень основного обмена составляет 1 600—1700 ккал (64—68-10⁵ Дж), у женщин он ниже на 10—15 %. У пожилых людей снова появляются изменения интенсивности окислительных процес­сов в сторону его снижения.

Основной обмен снижается в ночной период и возрастает утром. Увеличение интенсивности обмена веществ наблюдается после еды в течение 12 ч (до 18 ч при белковом питании); на интенсивность обме­на веществ влияет температура окружающей среды.

Рабочий обмен — энергия, связанная с совершением внешней ра­боты, поэтому энерготраты организма меняются в зависимости от фи­зической нагрузки и состояния здоровья. Рабочий обмен, т.е. коли­чество затраченной энергии при выполнении трудовых процессов, прямо зависит от интенсивности выполняемой работы. Интенсивная умственная работа также приводит к увеличению обмена за счет ре­флекторного повышения мышечного тонуса.

Возрастные особенности обмена энергии. Для развивающегося организма важная статья энергозатрат — собственно рост и развитие и процессы адаптивных перестроек. С возрастом изменяются сразу две составляющие энергетического баланса: соотношение масс тканей с разной энергетической активностью и содержание в них важнейших окислительных ферментов. В результате энергетический обмен пре­терпевает достаточно сложные изменения, но в целом его интенсив­ность с возрастом снижается, причем весьма существенно.

Нередко повышенную интенсивность основного обмена у детей связывают с затратами на рост. Однако точные измерения и расчеты, проведенные в последние годы, показали, что даже самые интенсивные ростовые процессы в первые 3 месяца жизни не требуют более 7 — 8 % от суточного потребления энергии, а после 12 месяцев они не превы­шают 1 %. Значительно более энергоемкими оказались те этапы он­тогенеза, когда скорость роста снижается, а в органах и тканях проис­ходят существенные качественные изменения, обусловленные про­цессами клеточных дифференцировок: образуются новые структуры, новые белки и другие крупные молекулы, что требует больших энер­гетических затрат.

В процессе дальнейшего индивидуального развития наблюдается снижение интенсивности основного обмена, при этом с возрастом вклад различных органов в основной обмен изменяется. Например, головной мозг (вносящий значительный вклад в основной обмен) у новорожденных составляет 12 % от массы тела, а у взрослого — только 2 %. Так же неравномерно растут и внутренние органы, которые, как и мозг, имеют в покое очень высокий уровень энергетического обме­на — 300 ккал/кг • сут (12 • 10⁵ Дж/кг • сут). В то же время мышечная ткань, относительное количество которой за время постнатального развития почти удваивается, характеризуется очень низким уровнем обмена в покое — 18 ккал/кг • сут (72 • 10³ Дж/кг • сут). У взрослого на долю мозга приходится примерно 24 % основного обмена, на долю печени — 20 %, надолю сердца — 10 % и на скелетные мышцы — 28 %. У годовалого ребенка на долю мозга приходится 53 % основного обмена, вклад печени составляет около 18 %, а на долю скелетных мышц — только 8 %.

Динамика возрастных изменений основного обмена не сводится к простому снижению интенсивности метаболизма. На разных возраст­ных этапах периоды, характеризующиеся быстрым снижением интен­сивности обмена, сменяются возрастными интервалами, в которых обмен стабилизируется. Чем больше относительная скорость роста, тем значительнее в этот период снижение интенсивности основного обмена. Кроме того, процесс понижения основного обмена имеет половые различия: девочки примерно на год опережают мальчиков по ускорению темпов роста и замедлению интенсивности основного обмена.

В процессе дальнейшего развития снижение интенсивности основ­ного обмена продолжается, причем теперь уже в тесной связи с про­цессами полового созревания. На начальных стадиях полового созре­вания интенсивность метаболизма у подростков примерно на 30 % выше, чем у взрослых. Резкое снижение показателей начинается на стадии полового созревания, когда активируются гонады, и продол­жается вплоть до наступления половой зрелости. Как известно, пу­бертатный скачок роста также совпадает с этой стадией полового созревания, т. е. и в этом случае сохраняется закономерность сниже­ния интенсивности метаболизма в периоды более интенсивного роста.

Мальчики в своем развитии в этот период отстают от девочек на 1 год. В строгом соответствии с этим фактом интенсивность обменных процессов у мальчиков всегда выше, чем у девочек того же календар­ного возраста. Различия эти невелики (5—10 %), но стабильны на протяжении всего периода полового созревания.