Обмен веществ в организме — это совокупность всех химических процессов, происходящих в нем. Организм получает извне многие вещества, перерабатывает их, получая энергию или те молекулы, которые необходимы организму для построения собственных тканей. Образующиеся при этом метаболиты выводятся из организма. Совокупность реакций распада веществ, главным образом пищевого происхождения, сопровождающихся выделением и запасанием энергии, называется диссимиляцией. Совокупность реакций синтеза необходимых организму веществ, сопровождающихся затратами энергии, называется ассимиляцией. Совокупность всех реакций диссимиляции и ассимиляции в организме носит название обмена веществ. Очевидно, что диссимиляция без ассимиляции и наоборот — невозможны. В здоровом организме ассимиляция и диссимиляция строго сбалансированы, хотя в периоды быстрого роста в юности ассимиляция может временно преобладать над диссимиляцией. Подсчитано, что взрослому человеку для нормальной жизнедеятельности необходимо не менее 1500-1700 ккал в сутки. Из этого количества энергии на собственные нужды организма уходит 15-35%, а остальное затрачивается на тепло. Однако затраты на тепло абсолютно необходимы, так как человек — гомойотермное существо.
При умственной и особенно при физической нагрузке энергетические затраты существенно возрастают. При умеренной физической работе человеку необходимо 2300 ккал в сутки, а при тяжелой это количество возрастает вдвое. Например, во время родов организм женщины тратит столько же энергии, сколько нужно для подъема на высочайшую вершину Европы — Монблан. У человека, находящегося в спокойном состоянии, мышцы потребляют 26% энергии, печень — 25%, мозг — 18%, сердце — 9%, почки — 7% и т. д. При физической нагрузке энергетические затраты мышц и сердца возрастают в 4-6 раз, а мозга и печени — не меняются.
Все реакции обмена веществ регулируются нервной и эндокринной системами.
Основа всех физиологических процессов — обмен веществ. Он неодинаков у организмов, стоящих на разных ступенях филогенетического развития. Живые организмы способны сохранять относительное постоянство химического состава и поддерживать функции на относительно постоянном уровне. Этим они отличаются от тел неживой природы, которые как бы уравновешиваются с окружающей средой и изменяют свой химический состав и строение при ее изменениях. Уравновешивание организмов с внешним миром начинается с момента смерти.
Активное противодействие колебаниям внешней среды — главная характерная особенность живых организмов — обусловлено исторически сложившимися строением и функциями организма. в химических соединениях, составляющих организм, накоплен большой запас энергии, позволяющий противодействовать резким колебаниям температуры, влажности, облучения и другим факторам. С этой же целью используются запасы веществ, отложенные в организме в процессе питания и пищеварения.
Химические вещества, поступающие извне, сначала расщепляются до сравнительно простых соединений с освобождением энергии — процесс диссимиляции. Затем часть освобожденной энергии используется для синтеза сложных высокомолекулярных органических соединений — белков, жиров и углеводов и их химических сочетаний, характерных для данного организма, — процесс ассимиляции. В этих сложных соединениях содержится большой запас энергии, обеспечивающий активное противодействие внешней среде. Часть энергии расходуется на осуществление разнообразных физиологических процессов, в том числе диссимиляции и ассимиляции. В результате происходит постоянное самовозобновление структуры организма, ее развитие, а в определенные периоды жизни — рост.
Обмен белков
Белки являются полимерами приблизительно 20 основных аминокислот, хотя иногда в состав белков человека дополнительно входят и очень редкие аминокислоты. Распадаясь в желудочно-кишечном тракте, белки пищи всасываются в виде небольших пептидов или, чаще, отдельных аминокислот в кровяное русло. Главная функция этих аминокислот — пластическая, то есть из них строятся все белки нашего организма. Реже белки используются как источник энергии: при распаде 1 г выделяется 17,6 кДж. Аминокислоты, входящие в состав белков нашего организма, подразделяются на заменимые и незаменимые. Заменимые могут синтезироваться в нашем организме из других аминокислот, поступающих с пищей. К ним относятся глицин, серии и др. Однако 12 необходимых нам аминокислот не могут синтезироваться в нашем организме и обязательно должны присутствовать в белках пищи. Эти аминокислоты называются незаменимыми. Среди них, например, лизин, триптофан, лейцин. Пищевые белки, содержащие все необходимые человеку аминокислоты, называются полноценными. Это главным образом белки животного происхождения. Пищевые белки, не содержащие каких либо незаменимых аминокислот, называют неполноценными. К ним относятся, например, белки кукурузы, ячменя, пшеницы. Подсчитано, что за 80 суток распадается половина всех белков тела человека, то есть распадается приблизительно 400 г белков в сутки. Однако две трети аминокислот, образовавшихся при распаде белков нашего организма, не выводится из него, а используется вновь, включаясь в состав синтезируемых белков. Таким образом, в сутки с пищей в организм должно поступать не менее 40 г белков, оптимум составляет приблизительно 100-150 г. Растительные белки для человека являются неполноценными, поэтому при вегетарианской диете необходимо правильно подбирать рацион, чтобы несколькими растительными белками заменить один полноценный животный белок.
Распадаясь, аминокислоты образуют воду, углекислый газ и ядовитый аммиак. В клетках печени из аммиака быстро образуется мочевина. Вода и мочевина выводятся из организма в составе мочи, а углекислый газ выдыхается через легкие.
Обмен углеводов
Углеводы являются главным источником энергии в организме. Глюкоза особенно необходима для нормальной работы мозга. Снижение содержания глюкозы в плазме крови с 0,1 до 0,05% приводит к быстрой потере сознания, судорогам и гибели человека.
В организм углеводы попадают в виде полисахаридов (крахмал, гликоген), дисахаридов или моносахаридов. Всасываются углеводы в виде моносахаридов в ворсинки тонкого кишечника и попадают в кровь. При большом количестве углеводов в пище их избыток превращается (в печени и частично в мышцах) в полимер гликоген и откладывается «про запас». В печени человека может откладываться до 300 г гликогена.
Расщепление 1 г глюкозы до С02и Н20 сопровождается выделением 17,6 кДж энергии. Взрослому человеку необходимо получать с пищей не менее 150 г углеводов в сутки, оптимально — 500 г в сутки. Следовательно, запасов гликогена в печени может хватить не более чем на двое суток.
Помимо энергетической функции углеводы выполняют также и структурно-строительную роль, например, входя в состав нуклеиновых кислот и др.
Продукты распада углеводов выводятся из организма через мочки (Н2O) и легкие (СO2).
Обмен жиров
Жиры также являются источником энергии для организма человека. Распад 1 г жиров приводит к высвобождению 38,9 кДж энергии. Значительная часть энергетических потребностей печени, мышц, почек (но не мозга) покрывается за счет окисления жиров. В организм человека жиры поступают как с животной, так и с растительной пищей. Распадаясь под действием ферментов на глицерин и жирные кислоты, жиры в таком виде всасываются в ворсинки и попадают в лимфатические капилляры и далее в кровь. Потребность в жирах определяется энергетическими потребностями организма в целом и составляет в среднем 80-100 г в сутки. Избыток жира откладывается в подкожной жировой клетчатке, причем могут образовываться жировые депо, покрывающие затраты жира в течение многих суток. Распадаются жиры до СO2 и Н2O, СO2 выдыхается через легкие, а Н2O выводится с мочой.
Помимо энергетической жиры выполняют еще целый ряд функций. Так, растворяясь в жирах, в организм человека поступают жирорастворимые витамины А, Б, Е, К. В пищевых жирах, главным образом растительного происхождения, содержатся незаменимые жирные кислоты (линолевая и др.), необходимые для синтеза некоторых физиологически активных веществ. Поэтому недостаток в пище этих кислот приводит к заболеванию человека. Жироподобные вещества — липиды — входят в состав всех клеточных мембран организма, определяя их проницаемость и активность многих ферментов, а также участвуют в мышечном сокращении и проведении нервного импульса. Сложные липиды представляют собой комплексы с белками — липопротеиды, с фосфорной кислотой — фосфолипиды, с остатками Сахаров — гликолипиды. Роль сложных липидов в функционировании всех клеток человеческого организма чрезвычайно велика.
Обмен воды и минеральных солей
Вода — наиболее распространенное вещество в нашем организме. Взрослый человек состоит из воды приблизительно на 65%, а человеческий эмбрион содержит около 90% воды. В сутки организм человека теряет около 2,0-2,5 литра воды. Столько же он получает в сумме с питьем (1,0 л) и пищей (1,0 л). Вода и растворенные в ней минеральные соли всасываются по всему желудочно-кишечному тракту, но более всего — через ворсинки тонкого кишечника. Обезвоживание организма приводит к быстрой гибели, и без воды человек может жить не более 5-6 дней, тогда как без пищи он может обходиться более 50 дней. Вода необходима в организме в качестве среды, в которой проходят все химические реакции. Она является транспортным средством, перенося растворы веществ по всему организму (плазма крови, лимфа, межклеточная жидкость). Вода необходима для поддержания постоянной температуры тела. Удаляется вода из организма через почки (около 1 л в сутки), кожу (0,8 л в сутки), с парами воздуха через легкие (0,5 л в сутки), с калом (0,15 л в сутки).
Из неорганических веществ организм помимо воды нуждается в постоянном поступлении минеральных солей. И хотя они составляют не более 4% от массы тела, набор их очень разнообразен. В сутки в организм человека должно поступать с пищей и питьем не менее 8 г натрия, 5 г хлора, 3 г калия, 1 г кальция, 2 г фосфора, 0,2 г железа. Эти вещества называют макроэлементами. А микроэлементы необходимы человеку в очень малых дозах — долях миллиграмма, но нормальная жизнедеятельность без них невозможна. К микроэлементам относят медь, йод, цинк, фтор, магний и многие другие вещества.
Функции минеральных солей в организме человека многообразны. Так, соли кальция, фосфора и магния входят в состав костей; калий, натрий и хлор необходимы для возбуждения нервных и мышечных клеток; кальций необходим для нормального сокращения мышц и свертывания крови; фтор входит в состав дентина и эмали; железо является компонентом гемоглобина; фосфаты включены в состав ДНК, РНК, АТФ, костей; медь содержится в составе целого ряда ферментов, обеспечивающих работу нервной системы, кроветворения; йод входит в состав гормонов щитовидной железы; кобальт является частью витамина В12.
Выделение
Выделение — это процесс удаления из организма тех конечных продуктов обмена веществ (метаболитов), которые не могут быть использованы организмом далее для своих нужд. Значение выделения заключается в поддержании постоянства внутренней среды организма. Продукты распада различных веществ, образующиеся в процессе разнообразных обменных реакций, поступают в кровь и выводятся из организма несколькими путями. Основными органами выделения являются почки, через которые удаляются избыток воды, азотсодержащие продукты распада белков, некоторые соли и многие другие вещества. Таким образом, почки поддерживают постоянное соотношение уровня воды и солей в организме. Через легкие из организма человека удаляется СO2 небольшое количество паров воды, некоторые летучие вещества. Потовые железы выделяют через кожу воду, мочевину, аммиак, соли. Через кишечник из организма с калом удаляются соли токсичных тяжелых металлов, продукты превращения желчных пигментов (билирубина и биливердина).