Физиология человека

Значение питательных веществ

Во всех живущих ныне организмах, от самых примитивных до самого сложного — человеческого организма, — обмен веществ и энергии — основа жизни.

В организме человека, в его органах, тканях, клетках идет непрерывный процесс созидания, образования сложных веществ. Одновременно с этим происходит распад, разрушение сложных органических веществ, входящих в состав клеток организма.

Работа органов сопровождается непрерывным их обновлением: одни клетки погибают, другие их заменяют. У взрослого человека в течение суток гибнет и заменяется 1/20 кожного эпителия, половина всех клеток эпителия пищеварительного тракта, около 25 г крови и т. д.

Рост, обновление клеток организма возможны только в том случае, если в организм непрерывно поступают кислород и питательные вещества. Питательные вещества — тот строительный, пластический материал, из которого строится живое.

Для построения новых клеток организма, их непрерывного обновления, для работы таких органов, как сердце, желудочно-кишечный тракт, дыхательный аппарат, почки и т. д., а также для совершения человеком работы нужна энергия. Эту энергию организм получает при распаде веществ клеток в процессе обмена веществ.

Таким образом, питательные вещества, поступающие в организм, служат не только пластическим, строительным материалом, но и источником энергии, так необходимой для жизни.

Под обменом веществ понимают совокупность изменений, которые претерпевают вещества от момента их поступления в пищеварительный тракт до образования конечных продуктов распада, выделяемых из организма.

Ассимиляция и диссимиляция

Обмен веществ представляет собой единство двух процессов: ассимиляции и диссимиляции. В результате процесса ассимиляции сравнительно простые продукты пищеварения, поступая в клетки, подвергаются химическим превращениям с участием ферментов и уподобляются необходимым организму веществам. Диссимиляция — распад сложных органических веществ, входящих в состав клеток организма. Часть продуктов распада вновь используется организмом, часть выводится из организма наружу.

Процесс диссимиляции также идет при участии ферментов. Во время диссимиляции высвобождается энергия. Именно за счет этой энергии строятся новые клетки, обновляются старые, функционирует сердце человека, совершается умственная и физическая работа.

Процессы ассимиляции и диссимиляции неотделимы друг от друга. При усилении процесса ассимиляции, особенно при росте молодого организма, усиливается и процесс диссимиляции.

Превращение веществ

Химические превращения пищевых веществ начинаются в пищеварительном тракте. Здесь сложные белки, жиры и углеводы расщепляются до более простых, способных всосаться через слизистую оболочку кишечника и стать строительным материалом в процессе ассимиляции. В пищеварительном тракте при переваривании высвобождается незначительное количество энергии. Вещества, поступившие в результате всасывания в кровь и лимфу, приносятся в клетки, где и претерпевают основные изменения. Образовавшиеся сложные органические вещества входят в состав клеток и принимают участие в осуществлении их функций. Энергия, освободившаяся при распаде веществ клеток, используется для жизнедеятельности организма. Не использованные организмом продукты обмена различных органов и тканей выделяются из него.

Роль ферментов во внутриклеточном обмене

Основные процессы превращения веществ совершаются внутри клеток нашего тела. Эти процессы лежат в основе внутриклеточного обмена. Решающая роль во внутриклеточном обмене принадлежит многочисленным ферментам клетки. Благодаря их деятельности с веществами клетки происходят сложные превращения, разрываются внутримолекулярные химические связи в них, что приводит к высвобождению энергии. Особое значение здесь приобретают реакции окисления и восстановления. Конечные продукты процессов окисления в клетке — углекислый газ и вода. При участии специальных ферментов осуществляются и другие типы химических реакций в клетке.

Освобождающаяся при этих реакциях энергия используется для построения новых веществ в клетке, для поддержания процессов жизнедеятельности организма. Основным аккумулятором и переносчиком энергии, используемой при многих синтетических процессах, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). В молекуле АТФ содержатся три остатка фосфорной кислоты. АТФ используется во всех реакциях обмена, требующих затраты энергии. В молекуле АТФ при этом разрывается химическая связь с одним или двумя остатками фосфорной кислоты, освобождая запасенную энергию (отщепление одного остатка фосфорной кислоты приводит к освобождению около 42 000 дж на 1 грамм-молекулу).

Роль белков в обмене веществ

Белки в обмене веществ занимают особое место. Ф. Энгельс так оценил эту роль белков: "Жизнь — это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка". И на самом деле, везде, где есть жизнь, находят белковые тела.

Белки входят в состав цитоплазмы, гемоглобина, плазмы крови, многих гормонов, иммунных тел, поддерживают постоянство водно-солевой среды организма. Без белков нет роста. Ферменты, обязательно участвующие во всех этапах обмена веществ, имеют белковую природу.

Специфичность белков

Белки обладают большой специфичностью. Белки животных разных видов, разных индивидуумов одного и того же вида, более того, разных органов и тканей одного и того же организма отличаются друг от друга. Такая специфичность белков делает невозможным введение в организм нерасщепленных чужеродных белков. Если такие чужеродные белки попадают в организм, то это вызывает образование защитных веществ против введенных белков, могут наступить тяжелые нарушения и даже гибель организма. Этим объясняются неудачи при пересадке тканей и органов от животных человеку или даже от одного человека другому. При таких операциях пересаженный орган не приживается и отмирает.

Белковые вещества пищи, проходя через пищеварительный тракт, расщепляются до аминокислот. Аминокислоты легко усваиваются организмом.

Нормы белка в питании

В зависимости от возраста, выполняемой деятельности, пола и т. п. меняется норма белков в питании. Для взрослого человека в суточном рационе должно содержаться в среднем 100-110 г белков. При физической работе норма белков в пище увеличивается до 130-140 г. Растущий организм ребенка нуждается в дополнительном количестве белков, обеспечивающих рост и формирование тела. Если для взрослого человека нужно на 1 кг массы тела около 1,5 г белков в сутки, то для ребенка в первые годы жизни эта норма должна быть примерно в три раза выше.

Биологическая ценность белков пищи

Аминокислоты, идущие на построение белков организма, неравноценны. Некоторые аминокислоты незаменимы для организма (лейцин, метионин, фенилаланин и др., табл. 12). Если в пище отсутствует незаменимая аминокислота, то синтез белков в организме резко нарушается. Но есть аминокислоты, которые могут быть заменены другими или синтезированы в самом организме в процессе обмена веществ, — это заменимые аминокислоты.

Таблица 12. Заменимые и незаменимые аминокислоты

Белки пищи, содержащие весь необходимый набор аминокислот для нормального синтеза белка организма, называют полноценными. К ним относят преимущественно животные и некоторые растительные белки (например, белки бобовых растений). Белки пищи, не содержащие всех необходимых для синтеза белка организма аминокислот, называют неполноценными (например, желатин, белок кукурузы, белок пшеницы). Наиболее высокая биологическая ценность у белков яиц, мяса, молока, рыбы.

Для того чтобы в организме мог произойти синтез необходимых ему белков, с пищей должны вводиться все незаменимые аминокислоты. При смешанном питании, когда в пище есть продукты животного и растительного происхождения, в организм обычно доставляется необходимый для синтеза белков набор аминокислот.

Особенно важно поступление всех незаменимых аминокислот для растущего организма. Отсутствие в пище аминокислоты лизина приводит к задержке роста ребенка, к истощению его мышечной системы. Недостаток валина вызывает расстройство равновесия у детей. В настоящее время достаточно полно изучен аминокислотный состав белков различных органов и тканей тела человека и пищевых продуктов. Поэтому имеется возможность так комбинировать продукты питания, чтобы человек получал в пищевом рационе все жизненно необходимые аминокислоты в нужных количествах и сочетаниях.

Распад белков в организме

Те аминокислоты, которые не пошли на синтез специфических белков, подвергаются превращениям, во время которых освобождаются азотистые вещества. От аминокислоты при этих превращениях отщепляется азот в виде аммиака (NH3). Азот в виде аминогруппы (-NH2), отщепившись от одной аминокислоты, может переноситься на другую, и тогда в организме строятся недостающие ему аминокислоты. Эти процессы идут преимущественно в печени, мышцах, почках. Безазотистый остаток аминокислоты подвергается дальнейшим превращениям с образованием углекислого газа и воды.

Аммиак, образовавшийся при распаде белков в организме, — вещество ядовитое, он обезвреживается в печени, где превращается в мочевину. Мочевина в составе мочи выводится из организма.

Конечные продукты распада белков в организме — не только мочевина, но и мочевая кислота и другие азотистые вещества. Они выводятся из организма с мочой и потом.

Обмен углеводов

В течение жизни человек съедает около 10 т углеводов. Углеводы поступают в организм главным образом в виде крахмала. Расщепившись в пищеварительном тракте до глюкозы, углеводы всасываются в кровь и усваиваются клетками. Особенно богата углеводами растительная пища: хлеб, крупы, овощи, фрукты. Продукты животного происхождения (за исключением молока) содержат мало углеводов.

Углеводы — главный источник энергии, особенно при усиленной мышечной работе. Больше половины энергии организм взрослых людей получает за счет углеводов. Конечные продукты обмена углеводов — углекислый газ и вода.

В крови количество глюкозы поддерживается на относительно постоянном уровне (около 0,11%). Уменьшение содержания глюкозы вызывает понижение температуры тела, расстройство деятельности нервной системы, утомление. В поддержании постоянного уровня сахара в крови большую роль играет печень. Повышение количества глюкозы вызывает ее отложение в печени в виде запасного животного крахмала — гликогена. Гликоген мобилизуется печенью при снижении содержания сахара в крови. Гликоген образуется не только в печени, но и в мышцах, где его может накапливаться до 1-2%. Запасы гликогена в печени достигают 150 г. При голодании и мышечной работе эти запасы сокращаются.

Если содержание глюкозы в крови увеличивается до 0,17%, то она начинает выводиться из организма с мочой.

Обычно при употреблении большого количества углеводов в моче появляется сахар, и этим самым выравнивается содержание сахара в крови.

Однако в крови может быть и стойкое повышение содержания сахара, которое не выравнивается. Это происходит при нарушении функции желез внутренней секреции (например, поджелудочной железы), что приводит к развитию заболевания сахарного диабета. При этом заболевании утрачивается способность связывать сахар в гликоген и начинается усиленное выделение сахара с мочой.

Значение глюкозы для организма не исчерпывается ее ролью как источника энергии. Глюкоза входит в состав цитоплазмы и, следовательно, необходима при образовании новых клеток, особенно в период роста.

Углеводы имеют важное значение и в обмене веществ центральной нервной системы. При резком снижении количества сахара в крови отмечаются расстройства деятельности нервной системы. Наступают судороги, бред, потеря сознания, изменение деятельности сердца. Если такому человеку ввести в кровь глюкозу или дать съесть обычный сахар, то через некоторое время эти тяжелые симптомы исчезают.

Полностью сахар из крови не исчезает даже при отсутствии его в пище, так как в организме углеводы могут образовываться из белков и жиров.

Потребность в глюкозе различных органов неодинакова. Мозг задерживает до 12% приносимой глюкозы, кишечник -9%, мышцы — 7%, почки — 5%. Селезенка и легкие почти совсем не потребляют глюкозу.

Обмен жиров

Общее количество жира в организме человека колеблется в широких пределах и составляет в среднем 10-12% массы тела, а в случаях ожирения может достигать 50% массы тела. Количество запасного жира зависит от характера питания, количества потребляемой пищи, пола, возраста и т. п.

Поступивший с пищей жир в пищеварительном тракте расщепляется на глицерин и жирные кислоты, которые всасываются в основном в лимфу и лишь частично в кровь.

Жирные кислоты в процессе всасывания омыляются, т. е. вместе со щелочами и желчными кислотами образуют растворимые комплексы, проходящие через слизистую оболочку кишки. Уже в клетках кишечного эпителия синтезируется жир, свойственный данному организму.

Через лимфатическую и кровеносную систему жиры поступают главным образом в жировую ткань, которая имеет для организма значение депо жира. Много жира в подкожной клетчатке, вокруг некоторых внутренних органов (например, почек), а также в печени и мышцах.

Жир используется организмом как богатый источник энергии. При распаде 1 г жира в организме освобождается энергии в два с лишним раза больше, чем при распаде такого же количества белков или углеводов. Жиры входят и в состав клеток (цитоплазма, ядро, клеточные мембраны), где их количество устойчиво и постоянно. Скопления жира могут выполнять и другие функции. Например, подкожный жир препятствует усиленной отдаче тепла, околопочечный жир предохраняет почку от ушибов и т. д.

Недостаток жиров в пище нарушает деятельность центральной нервной системы и органов размножения, снижает выносливость к различным заболеваниям.

Жиры синтезируются в организме не только из глицерина и жирных кислот, но и из продуктов обмена белков и углеводов.

На этом основана практика откорма сельскохозяйственных животных на сало.

Видовая специфичность жиров выражена слабее, чем видовая специфичность белков. Об этом свидетельствуют опыты, проведенные на собаках. Собак заставляли длительное время голодать, и, когда они теряли почти весь запасный жир, одной из них давали с пищей льняное масло, а другой — бараний жир. Через некоторое время обнаружилось, что собственный жир первой собаки стал жидким и напоминал по некоторым свойствам льняное масло, а жир второй собаки по консистенции был схож с бараньим жиром.

Некоторые непредельные жирные кислоты, необходимые организму (линолевая, линоленовая и арахидоновая), должны поступать в организм в готовом виде, так как не способны им синтезироваться. Непредельные жирные кислоты содержатся в растительных маслах (больше всего их в льняном и конопляном масле). Много линолевой кислоты и в подсолнечном масле. Этим объясняется высокая питательная ценность маргарина, в котором содержится значительное количество растительных жиров.

С жирами в организм поступают растворимые в них витамины (витамины A, D, Е и др.), имеющие для человека жизненно важное значение.

На 1 кг массы взрослого человека в сутки должно поступать с пищей 1,25 г жиров (60-80 г в сутки).

В клетках организма жиры под действием клеточных ферментов (липаз) разлагаются на глицерин и жирные кислоты. Превращения глицерина (при участии АТФ) заканчиваются образованием углекислого газа и воды. Жирные кислоты под действием множества ферментов подвергаются сложным превращениям с образованием в качестве промежуточного продукта уксусной кислоты, которая затем превращается в ацетоуксусную кислоту. Конечные продукты обмена жирных кислот — углекислый газ и вода. Превращения непредельных жирных кислот в организме изучены пока недостаточно.

Значение воды и солей

Все превращения веществ в организме совершаются в водной среде. Вода растворяет пищевые вещества, поступившие в организм. Вместе с минеральными веществами она принимает участие в построении клеток и во многих реакциях обмена.

Вода участвует в регуляции температуры тела; испаряясь, охлаждает тело, предохраняя его от перегрева; транспортирует растворенные вещества.

Вода и минеральные соли создают в основном внутреннюю среду организма, являясь основной составной частью плазмы крови, лимфы и тканевой жидкости. Они участвуют в поддержании осмотического давления и реакции плазмы крови и тканевой жидкости. Некоторые соли, растворенные в жидкой части крови, участвуют в переносе газов кровью.

Вода и минеральные соли входят в состав пищеварительных соков, что во многом определяет их значение для процессов пищеварения. И хотя ни вода, ни минеральные соли не являются источниками энергии в организме, поступление их в организм и выведение оттуда являются обязательным условием его нормальной деятельности.

Потеря организмом воды приводит к очень тяжелым нарушениям. Например, при расстройстве пищеварения у грудных детей самым опасным является обезвоживание организма, что влечет за собой судороги, потерю сознания и т. д. Именно резкое обезвоживание организма вследствие потери жидкости служит причиной столь тяжелого течения такого инфекционного заболевания, как холера. Лишение воды на несколько дней смертельно для человека.

Обмен воды

Пополнение тела водой происходит постоянно за счет всасывания ее из пищеварительного тракта. Человеку нужно в сутки 2-2,5 л воды при нормальном пищевом режиме и нормальной температуре окружающей среды. Это количество воды поступает из следующих источников: а) воды, потребляемой при питье (около 1 л); б) воды, содержащейся в пище (около 1 л); в) воды, которая образуется в организме при обмене белков, жиров и углеводов (300-350 мл).

Основные органы, удаляющие воду из организма, — почки, потовые железы, легкие и кишечник. Почки за сутки из организма удаляют 1,2-1,5 л воды в составе мочи. Потовые железы через кожу в виде пота удаляют 500-700 мл воды в сутки. При нормальной температуре и влажности воздуха на 1 см2 кожного покрова каждые 10 мин выделяется около 1 мг воды. В пустынях Аравийского полуострова, однако, человек ежедневно теряет с потом около 10 л воды. При интенсивной работе в виде пота выделяется также много жидкости: например, за два тайма напряженного футбольного матча футболист теряет около 4 л воды.

Легкие в виде водяных паров выводят 350 мл воды. Это количество резко возрастает при углублении и учащении дыхания, и за сутки тогда может выделиться 700-800 мл воды.

Через кишечник с калом выводится в сутки 100-150 мл воды. При расстройстве деятельности кишечника с калом может выводиться большое количество воды (при поносе), что может привести к обеднению организма водой. Для нормальной деятельности организма важно, чтобы поступление воды полностью покрывало ее расход.

Отношение количества потребленной воды к количеству выделенной составляет водный баланс.

Если воды из организма выводится больше, чем поступает в него, то возникает чувство жажды. В результате жажды человек пьет воду до восстановления нормального водного баланса.

Обмен солей

При исключении из пищевого рациона животных минеральных веществ наступают тяжелые расстройства в организме и даже смерть. С наличием минеральных веществ связано явление возбудимости — одного из основных свойств живого. Рост и развитие костей, нервных элементов, мышц зависят от содержания минеральных веществ; они определяют реакцию крови (рН), способствуют нормальной деятельности сердца и нервной системы, используются для образования гемоглобина (железо), соляной кислоты желудочного сока (хлор).

Минеральные соли создают столь необходимое для жизнедеятельности клеток определенное осмотическое давление.

При смешанном питании взрослый человек получает все необходимые ему минеральные вещества в достаточном количестве. Только поваренную соль добавляют к пище человека при ее кулинарной обработке. Растущий детский организм особенно нуждается в дополнительном поступлении многих минеральных веществ.

Организм постоянно теряет некоторое количество минеральных солей в составе мочи, пота и кала. Поэтому минеральные соли, так же как и вода, должны постоянно поступать в организм. Содержание отдельных элементов в теле человека неодинаково (табл. 13).

Таблица 13. Содержание отдельных элементов в теле человека

Регуляция водно-солевого обмена

Постоянство осмотического давления внутренней среды организма, определяемое содержанием воды и солей, регулируется организмом.

При недостатке воды в организме повышается осмотическое давление тканевой жидкости. Это приводит к раздражению расположенных в тканях особых рецепторов — осморецепторов. Импульсы от них по специальным нервам направляются в головной мозг к центру регуляции водно-солевого обмена. Оттуда возбуждение направляется к железе внутренней секреции — гипофизу, который выделяет в кровь специальный гормон, вызывающий задержку мочеотделения. Уменьшение выделения воды с мочой восстанавливает нарушенное равновесие.

Этот пример наглядно показывает взаимодействие нервных и гуморальных механизмов регуляции физиологических функций. Рефлекс начинается нервным путем с осморецепторов, а затем включается гуморальный механизм — поступление в кровь специального гормона.

Центр регуляции водно-солевого обмена контролирует все пути транспорта воды в организме: выделение ее с мочой, потом и через легкие, перераспределение между органами тела, всасывание из пищеварительного тракта, секрецию, а также потребление воды. Особенно важными в этом отношении оказываются некоторые участки промежуточного мозга. Если животному в эти участки ввести электроды, а затем через них начать раздражать мозг электрическим током, то животные начинают жадно пить воду. При этом количество выпитой воды может превышать 40% массы тела. В результате появляются признаки водного отравления, связанные с понижением осмотического давления плазмы крови и тканевой жидкости. В естественных условиях эти центры промежуточного мозга находятся под контролирующим влиянием коры больших полушарий головного мозга.

Механизм регуляции водного баланса очень важен в практической жизни. В случаях, когда воду приходится экономить, пить ее ни в коем случае не следует залпом, а обязательно очень маленькими глотками. Вы почувствуете, что напились, хотя воды выпили немного. Знание особенностей регуляции водно-солевого обмена важно еще в одном случае. В жаркую погоду обычно очень хочется пить, и, сколько бы вы ни выпили воды, пить все равно хочется. Но стоит сознательно потерпеть немного, несмотря на чувство жажды, и она проходит. Именно поэтому не следует много пить на жаре, в походе и т. д. Правильная тактика здесь такая: зная, что предстоит трудный поход или длительное пребывание на солнце, лучше заранее выпить воды "про запас", в момент, когда пить еще не хочется. В этом случае потом не возникает такое сильное чувство жажды, как если бы вы начали пить на жаре.

Еще два практических совета. Перед отправлением в поход надо выпить минеральной или подсоленной воды или съесть немного умеренно соленой пищи — брынзы, соленого сыра и т. д. — и хорошо запить ее водой. Дело в том, что с потом теряется много солей, а это приводит к нарастанию утомления, мышечной слабости и т. д. Необходимо знать также, что на жаре нередко возникает "ложная жажда": пить хочется не потому, что в организме мало жидкости, а из-за пересыхания слизистой оболочки полости рта. В этом случае достаточно просто пополоскать рот водой.

Прямая и непрямая калориметрия

Обмен веществ и энергии по существу единый процесс. В итоге сложных превращений, совершающихся в организме, образуется тепло.

Количество энергии, выделяемой организмом за определенный промежуток времени, выражают в единицах тепла — джоулях. Определить количество освобождающейся в организме энергии можно методами прямой и непрямой калориметрии.

Прямую калориметрию производят с помощью специальных аппаратов — калориметрических камер (рис. 59).

В камере стенки не проводят тепло. По потолку камеры проходит система трубок с водой. Человека или животное на определенное время помещают в такую камеру. Тепло, выделяемое организмом, нагревает воду в системе трубок. Измеряют температуру поступающей и вытекающей из камеры воды; определяют разность температур и количество протекшей воды. Это дает возможность получить данные о количестве энергии, выделенной организмом в единицу времени.

Показатели, полученные методом прямой калориметрии, точные. Но метод этот весьма сложен, громоздок, а главное — не дает возможности измерять энергетические затраты организма при различных видах деятельности человека (езда на велосипеде, работа у доменной печи и др.).

Проще производить расчеты расхода энергии методом непрямой калориметрии.

Рис. 59. Схема калориметра. Продуцируемое организмом человека тепло измеряют с помощью термометров (1 и 2) по нагреванию воды, протекающей по трубам в камере (4). Количество протекающей воды измеряют в баке (3). Через окно (5) подают пищу и удаляют экскременты. Посредством насоса (6) воздух извлекают из камеры и прогоняют через баки с серной кислотой (7 и 9) (для поглощения воды) и с натронной известью (8) (для поглощения углекислого газа). Кислород подают в камеру из баллона (10) через газовые часы (11). Давление воздуха в камере поддерживают на постоянном уровне посредством сосуда с резиновой мембраной (12)

Рис. 60. Определение газообмена с помощью мешка Дугласа

Источником энергии в организме служат окислительные процессы, при которых потребляется кислород и выделяется углекислый газ. Чем больше организм освобождает энергии, тем интенсивнее в нем идут окислительные процессы. Следовательно, тем больше организм потребляет кислорода и выделяет углекислого газа. Поэтому об энергетических процессах в организме можно судить не только по количеству тепла, отдаваемого в окружающую среду, как это делают при прямой калориметрии, но и по количеству поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, т. е. по величине газообмена.

Для определения количества поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа пользуются различными приспособлениями. В производственных и учебных условиях для этой цели используют маски.

Маска через систему клапанов соединяется с мешком из воздухонепроницаемой ткани (рис. 60), укрепляемым на теле испытуемого. Клапаны дают возможность свободно вдыхать атмосферный воздух, а выдыхаемый воздух направляется в мешок. Выдохнутый воздух из мешка пропускают через газовые часы для определения его объема, а затем химическим путем определяют в нем процентное содержание кислорода и углекислого газа. Зная состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, можно рассчитать количество поглощенного кислорода и выдохнутого углекислого газа.

Поглощаемый организмом кислород идет на окисление белков, жиров и углеводов. Для окисления 1 г белков, жиров или углеводов требуется разное количество кислорода, а следовательно, при этом освобождается и разное количество энергии (табл. 14).

Таблица 14. Образование энергии при окислении веществ в организме

Из таблицы 14 видно, что потребление 1 л кислорода и выделение 1 л углекислого газа сопровождаются образованием определенного количества энергии. Однако при этом необходимо знать, какие вещества — белки, жиры или углеводы — окислились в организме. Для этого определяют величину дыхательного коэффициента.

Дыхательным коэффициентом называют отношение объема выделенного организмом углекислого газа к объему поглощенного кислорода. Дыхательный коэффициент различен при окислении белков, жиров и углеводов. Окисление углеводов (глюкозы, например) можно выразить уравнением:

Из уравнения видно, что при окислении глюкозы число молекул образовавшегося углекислого газа и поглощенного кислорода равно. Следовательно, дыхательный коэффициент при окислении углеводов равен единице:

В молекуле жира мало внутримолекулярного кислорода, поэтому на окисление ее требуется больше кислорода. Дыхательный коэффициент в этом случае меньше 1. При окислении белков дыхательный коэффициент равен 0,8. При смешанной пище, которую обычно употребляет человек, дыхательный коэффициент колеблется от 0,85 до 0,9.

При окислении белков, жиров и углеводов (при потреблении 1 л кислорода) освобождается разное количество энергии. Следовательно, при разном дыхательном коэффициенте количество освобождающей энергии при поглощении 1 л кислорода будет различным. Эта зависимость видна из таблицы 15.

Зная величину газообмена, можно вычислить расход энергии в организме. Поступают при этом так.

Таблица 15. Зависимость количества энергии, освобождающейся при окислении, от величины дыхательного коэффициента

По количеству потребленного кислорода и выделенного углекислого газа определяют дыхательный коэффициент. Затем по таблицам устанавливают количество тепла, образующегося при поглощении 1 л кислорода (или при выделении 1 л углекислого газа) при данном дыхательном коэффициенте. Полученную величину умножают на количество литров поглощенного кислорода. Таким образом определяют количество энергии, отданной человеком за определенное время.

Метод назван непрямой калориметрией, потому что о количестве энергии, выделенной организмом, мы судим по количеству поглощенного кислорода (или выделившегося углекислого газа) в единицу времени.

Основной обмен

Даже в условиях полного покоя человек расходует некоторое количество энергии. В организме непрерывно тратится энергия на физиологические процессы, которые не останавливаются ни на минуту. Идут процессы обмена в клетках, поддерживается постоянная температура тела.

Минимальный для организма уровень обмена веществ и энергетических затрат называют основным обменом.

Основной обмен определяют у человека в состоянии мышечного покоя лежа, натощак, т. е. через 12-16 ч после еды, при температуре окружающей среды 18-20°С (температура "комфорта"). У человека среднего возраста основной обмен составляет 4186 дж на 1 кг массы в 1 ч. В среднем это 7 140 000-7 560 000 дж в сутки.

Для каждого человека величина основного обмена относительно постоянна.

Определение величины основного обмена часто имеет диагностическое значение. Повышается основной обмен при избыточной функции щитовидной железы и некоторых других заболеваниях. При недостаточности функции щитовидной железы, гипофиза, половых желез основной обмен снижается.

Расход энергии при мышечной деятельности

Чем тяжелее мышечная работа, тем больше энергии тратит человек. У школьников подготовка к уроку, урок в школе требуют энергии на 20-50% выше, чем энергия основного обмена.

При лабораторных занятиях, ручном труде, несложной гимнастике, играх средней подвижности затраты энергии на 75-125% превышают величины основного обмена.

При ходьбе затраты энергии на 150-170% превышают энергию основного обмена. При беге, подъеме по лестнице затраты энергии в три-четыре раза превышают основной обмен.

У мальчиков расход энергии обычно выше, чем у девочек. Тренировка организма значительно сокращает расход энергии на выполняемую работу. Это связано с уменьшением числа мышц, принимающих участие в работе, а также с изменениями дыхания и кровообращения.

При механизации труда в сельском хозяйстве и промышленности, внедрении машинной техники снижаются затраты энергии работающими людьми. При умственном труде энергетические затраты ниже, чем при физическом.

У людей разных профессий затраты энергии различны.

Энергия пищевых веществ

Для пополнения энергетических запасов в организме, построения и восстановления тканей тела необходимо поступление в организм питательных веществ. К питательным веществам относят белки, жиры, углеводы, минеральные соли, витамины и воду. Эти вещества организм получает в составе пищевых продуктов (мясо, молоко, хлеб, крупа, овощи и др.).

Для энергетического баланса организма важно знать не только количество тепла, выделяемое организмом в процессе жизнедеятельности, но и энергию пищевых веществ. Для организма важно, чтобы в получаемой им ежедневно пище содержалось то количество энергии, которое он тратит в течение суток.

Энергия пищевых веществ эквивалентна теплоте их сгорания. Определить ее можно с помощью калориметрической бомбы. Бомба представляет собой герметически закрывающийся стальной стакан, внутрь которого введена платиновая проволока. В стакан помещают 1 г жира, белка или углеводов, заполняют его кислородом и опускают в сосуд с водой; через платиновую проволоку пропускают электрический ток. Пищевое вещество сгорает. При этом освобождается тепло, которое нагревает воду, окружающую бомбу.

По изменению температуры воды в калориметре судят о количестве тепла, освобождающегося при сгорании 1 г вещества.

При сжигании в бомбе жиров и углеводов тепла образуется столько же, сколько при распаде этих веществ в организме. Это происходит потому, что и в бомбе, и в организме жиры и углеводы распадаются до одних и тех же конечных продуктов: углекислого газа и воды. Энергетическая ценность 1 г углеводов равна 17 220 дж, а 1 г жира — 39 060 дж.

Белки при сжигании в калориметрической бомбе образуют большее количество тепла, чем при окислении в организме. Это объясняется тем, что в бомбе белки сгорают с образованием углекислого газа, воды и аммиака, в организме конечными продуктами обмена белков являются мочевина, мочевая кислота и другие соединения, обладающие еще запасами энергии. Поэтому в бомбе 1 г яичного белка при сгорании освобождает 23 940 дж тепла, а при окислении в организме — 17 220 дж.

Зная энергетическую ценность принятых с пищей белков, жиров и углеводов, можно рассчитать калорийность пищевого рациона человека, что важно при организации полноценного питания.

Усвояемость пищи

Пищевые вещества не полностью усваиваются организмом; часть введенной пищи выводится кишечником в неизмененном виде. Растительная пища усваивается хуже, чем пища животного происхождения. Смешанная пища усваивается лучше, чем отдельные пищевые продукты. Белки животной пищи усваиваются на 97%, растительной — на 85%, смешанной — на 92%. Питательная, но кулинарно плохо обработанная пища усваивается хуже.

Опрятно и хорошо сервированный стол повышает аппетит и способствует лучшему усвоению пищи.

Нормы питания

При составлении пищевого рациона обычно учитывают калорийность принимаемой пищи. Однако этого недостаточно для организации полноценного питания. Для организма важно, чтобы в пище были все необходимые пищевые вещества (белки, жиры, углеводы, вода, минеральные соли и витамины). Важно и соотношение пищевых веществ в рационе.

Потребность в белках для взрослого человека в сутки составляет 100-110 г. При тяжелом физическом труде норма белков в пищевом рационе должна составлять 150-160 г. Большое количество принятых белков нарушает обмен веществ, образуются промежуточные продукты обмена, вредные для организма.

Для растущего детского организма норма белков в питании относительно выше, чем для взрослого человека. Для детей 1-3 лет необходимо 55 г белков в сутки, для детей 4-6 лет — 72 г, для детей 8-9 лет — 89 г. В возрасте 10-15 лет в сутки требуется 100-106 г белков.

Чем моложе организм, тем больше он нуждается в жирах. За сутки ребенок младшего школьного возраста должен потреблять до 85 г жиров (взрослые — около 60 г). Недостаток жиров в пище вызывает у детей снижение иммунных свойств и меньшую устойчивость организма к неблагоприятным воздействиям.

Суточное количество углеводов в пище человека должно составлять 400-500 г.

Для детей особенно важно, чтобы они потребляли не только достаточное количество пищевых веществ, но чтобы эти вещества находились в определенном соотношении. Для детей младшего школьного возраста наилучшим считается отношение белков к жирам и углеводам как 1:1:6, а для детей более раннего возраста — как 1:2:3.

Самое лучшее отношение между вводимым с пищей фосфором и кальцием в рационе дошкольников 1,5:1,0, младших школьников 2:1. Соотношение между кальцием и магнием должно сохраняться на уровне 1:0,75. В смешанной пище эти отношения поддерживаются легко.

При смешанном питании в организм поступает разнообразный набор аминокислот, витаминов, отчего ценность пищи повышается. В гречневой крупе нет многих аминокислот, но при добавлении к ней молока этот недостаток компенсируется. Пшеница содержит много фосфора и мало кальция, но горох, молоко, земляника имеют кальций, и потому употребление всех этих продуктов делает пищу полезнее. В молоке есть хлористый натрий, которого нет в рисе. Много железа содержится в мясе, яичном желтке, но его мало в молоке.

Разнообразная пища вызывает лучший аппетит, обильную секрецию пищеварительных соков, что способствует ее лучшему усвоению.

Режим питания

Для учащихся наиболее рационален трех-, четырехразовый прием пищи. При таком режиме питания интервал между приемами пищи не превышает 6 ч. За это время основное количество принятой пищи переходит в кишечник, и желудок, уже освободившийся, способен вместить очередную порцию пищи.

Пищу следует принимать в одно и то же время. При этом образуется условный рефлекс на время, в желудке выделяется аппетитный сок, способствующий лучшему пищеварению.

Утренний завтрак детей должен быть сытным и содержать не менее 25% суточного рациона. Второй завтрак в школе может составлять 20% суточной нормы. В школьном горячем завтраке должно содержаться 15-30 г белков, 15-20 г жиров, 80-100 г углеводов. Ассортимент продуктов должен быть разнообразным и содержать мясо, рыбу, масло, молоко, яйца, сыр. Обед обычно составляет 35% суточной нормы, ужин — около 20%.

Мясные и рыбные блюда рекомендуется принимать в первую половину дня, так как они богаты экстрактивными веществами и продукты их переваривания возбуждающе действуют на нервную систему.

Составьте пищевой рацион для школьника IX класса. Для этого воспользуйтесь специальными таблицами, где указано процентное содержание в пищевых продуктах белков, жиров и углеводов и калорийность на 100 г продукта (табл. 16).

Таблица 16. Состав пищевых продуктов и их калорийность

Исходить нужно из того, что школьник VIII-IX класса затрачивает в сутки около 13 440 000- 14 700 000 дж (табл. 17). Для того чтобы питание было рациональным, для покрытия таких энергозатрат нужно соответствующее количество пищевых продуктов (табл. 18).

Таблица 17. Суточная энергетическая потребность детей и подростков различного возраста (в дж)

Таблица 18. Суточные нормы белков, жиров и углеводов в пище детей и подростков (в г)

Необходимо учесть, что в пищевой рацион должны входить витамины, минеральные соли, вода. Рекомендуется включать одну треть белков и жиров в виде продуктов животного происхождения. Хлеб необходимо давать черный и белый.

Наиболее рационален четырехразовый режим питания, поэтому, составляя рацион, следует рассчитывать первый и второй завтраки, обед и ужин. Первый завтрак должен содержать около 25% всего суточного рациона, второй завтрак — 20%, обед — 35% и ужин — 20%.

Приступая к составлению пищевого рациона, заполните таблицу (табл. 19). Если после окончательного подсчета количества белков, жиров и углеводов в суточном рационе окажется, что оно не вполне соответствует принятым нормам, следует соответственно уменьшить или увеличить количество питательных веществ.

Таблица 19. Суточный рацион пищевых продуктов

Вопросы и задание к главе "Обмен веществ и энергии. Питание"

1. Составьте пищевой рацион для ученика первого класса.

2. Как изменяется расход энергии в зависимости от работы?

3. На что расходуется энергия в условиях основного обмена?

4. Каково значение АТФ в клетке?

5. Какие функции в обмене веществ выполняет печень?