Обмен веществ и энергии в организме

По литературным данным Б.И. Ткаченко с соавт. (2009), под обменом веществ и энергии понимают совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих в живом организме, а также между организмом и окружающей средой. В ходе обмена веществ и энергии реализуются следующие жизненно важные функции организма:

• извлечение энергии, заключенной в химических связях углеводов, жиров и белков, поступающих в организм человека из окружающей среды, и преобразование ее в энергию высокоергических соединений (прежде всего молекул аденозинтрифосфата - АТФ) для обеспечения энергией всех видов работы клетки;

• образование из поступивших в организм с пищей веществ промежуточных соединений, необходимых для синтеза компонентов собственных клеток организма человека;

• синтез из промежуточных соединений клеточных компонентов - нуклеиновых кислот, молекул ферментов и структурных белков, фосфолипидов, углеводов в ходе обновления клеток;

• непрерывное разрушение (катаболизм) всех клеточных структур и продуцированных ими биологических молекул;

• частичное использование продуктов расщепления собственных биомолекул (аминокислот, нуклеозидов и др.) в процессах ресинтеза;

• образование и выведение из организма конечных продуктов метаболизма (например, конечных продуктов азотистого обмена - креатина, креатинина, мочевины) и тепловой энергии.

Таким образом, обмен веществ в организме характеризуется двумя непрерывно и взаимосвязанно протекающими метаболическими процессами: анаболизмом, обеспечивающим обновление биологических структур, рост и развитие организма, непрерывное его восстановление, и катаболизмом биоструктур с использованием их энергетических и пластических ресурсов.

Эти процессы осуществляются у взрослого здорового человека в относительном равновесии. Дисбаланс метаболизма является прямой причиной развития различных функциональных нарушений, а со временем - патологических процессов (заболеваний).

Энергетический баланс организма. Сопоставление поступления с пищей энергии, получаемой человеком за определенный отрезок времени, с ее затратами за этот же период времени позволяет определить энергетический баланс организма. Основными энергонесущими нутриентами, составляющими рацион питания человека, являются углеводы, жиры и белки. При диссимиляции 1 г углеводов и белка организм аккумулирует по 4 ккал¹ энергии, 1 г жиров - 9 ккал.

В наибольшей степени организм использует с энергетическими целями углеводы и жиры. При выраженном дефиците двух этих макронутриентов в качестве источника энергии кратковременно может быть использован белок пищи. В организме человека энергия запасается главным образом в виде жира (различные депо) и белка (в первую очередь в виде мышечной массы). Запасы углеводов у человека практически отсутствуют (за исключением небольшого количества гликогена), все они оперативно трансформируются в метаболических процессах, а их излишки превращаются в жиры.

С гигиенической позиции энергия различных видов пищевых продуктов характеризуется по-разному. В питании целесообразно использовать продукты (в том числе и высокоэнергетические), содержащие значимые количества незаменимых аминокислот и микронутриентов (витаминов и минеральных веществ) - основных структурных и регуляторных компонентов макроергических процессов. В этом случае в организме будет протекать физиологически полноценный обмен веществ.

Чем больше в продукте веществ, не несущих для организма энергии (воды, пищевых волокон), тем меньше его калорийность. Продукты, содержащие преимущественно жиры, моно- и дисахариды (в том числе так называемые скрытые), а также алкоголь относятся к высококалорийным. Они способствуют синтезу и депонированию в организме жира (с нарушением жирового и углеводного обмена) с параллельными затратами дефицитных микронутриентов, участвующих в энергетическом обмене, и напряжением гормональных механизмов, отвечающих за ассимиляцию.

Энергетические затраты у человека принято делить на нерегулируемые - основной обмен и специфическое динамическое действие пищи (пищевой термогенез) и регулируемые - расход энергии на умственную и физическую деятельность.

 

¹ До принятия Международной системы единиц энергию измеряли в калориях (килокалориях). С введением метрической системы мер (СИ) единицей измерения количества энергии был принят джоуль (Дж). 1 кал = 4,184 Дж, 1 ккал = 4,184 кДж.

Основной обмен - это обмен веществ и энергии, определяемый у человека в стандартных условиях: при полном физическом и психическом (эмоциональном) покое организма, минимизированном процессе пищеварения (утром натощак) и температурном комфорте (при температуре внешней среды 20-22 °C). Поскольку вся энергия, заключенная в химических связях веществ-энергоносителей, после ее использования на разные формы работы в клетке переходит в тепло, то энергетические затраты организма человека оценивают в килокалориях или джоулях.

Для определения энергетических затрат можно использовать прямую и непрямую (расчетную) калориметрию. При прямой калориметрии определяется тепло, выделяемое человеком во внешнюю среду. Оно измеряется в специальной камере - калориметре в килокалориях. Из расчетных наибольшей точностью и индивидуальностью обладает метод хронометража, который заключается в регистрации всех видов деятельности человека за сутки и расчете суточных затрат энергии, исходя из коэффициентов физической активности (КФА) различных видов деятельности - соотношения энергозатрат на выполнение конкретной работы и величины основного обмена.

При групповом расчете можно пользоваться КФА для различных профессий в зависимости от того, в какую группу интенсивности труда они включены. КФА для различных профессиональных групп учитывает суточные энергозатраты работников, занятых в различных сферах деятельности, в соответствии с особенностями выполнения трудового процесса.

Группы трудоспособного населения и соответствующие КФА. Все взрослое население в зависимости от величины энергозатрат делится на 5 групп для мужчин и 4 группы для женщин, учитывающих производственную физическую активность и иные энергозатраты.

I группа (очень низкая физическая активность; мужчины и женщины) - работники преимущественно умственного труда, КФА - 1,4 (государственные служащие административных органов и учреждений, научные работники, преподаватели вузов, колледжей, учителя средних школ, студенты, специалисты-медики, психологи, диспетчеры, операторы, в том числе техники по обслуживанию компьютеров, программисты, работники финансово-экономической, юридической и административно-хозяйственной служб, работники конструкторских бюро и отделов, рекламно-информационных служб, архитекторы и инженеры по промышленному и гражданскому строительству, налоговые служащие, работники музеев, архивов, библиотекари, специалисты службы страхования, дилеры, брокеры, агенты по продаже и закупкам, служащие по социальному и пенсионному обеспечению, патентоведы, дизайнеры, работники бюро путешествий, справочных служб и других родственных видов деятельности).

II группа (низкая физическая активность; мужчины и женщины) - работники, занятые легким трудом, коэффициент физической активности - 1,6 (водители городского транспорта, рабочие пищевой, текстильной, швейной, радиоэлектронной промышленности, операторы конвейеров, весовщицы, упаковщицы, машинисты железнодорожного транспорта, участковые врачи, хирурги, медсестры, продавцы, работники предприятий общественного питания, парикмахеры, работники жилищно-эксплуатационной службы, реставраторы художественных изделий, гиды, фотографы, техники и операторы радио- и телевещания, таможенные инспектора, работники милиции и патрульной службы и других родственных видов деятельности).

III группа (средняя физическая активность; мужчины и женщины) - работники, занятые трудом средней тяжести, коэффициент физической активности 1,9 (слесари, наладчики, станочники, буровики, водители электрокаров, экскаваторов, бульдозеров и другой тяжелой техники, работники тепличных хозяйств, растениеводы, садовники, работники рыбного хозяйства и других родственных видов деятельности).

IV группа (высокая физическая активность; мужчины и женщины) - работники тяжелого физического труда, коэффициент физической активности 2,2 (строительные рабочие, грузчики, рабочие по обслуживанию железнодорожных путей и ремонту автомобильных дорог, работники лесного, охотничьего и сельского хозяйства, деревообработчики, физкультурники, металлурги, доменщики, литейщики и другие родственные виды деятельности).

V группа (очень высокая физическая активность; мужчины) - работники особо тяжелого физического труда, коэффициент физической активности 2,5 (спортсмены высокой квалификации в

тренировочный период, механизаторы и работники сельского хозяйства в посевной и уборочный периоды, шахтеры и проходчики, горнорабочие, вальщики леса, бетонщики, каменщики, грузчики немеханизированного труда, оленеводы и другие родственные виды деятельности).

При необходимости индивидуального расчета ориентировочных суточных энергетических затрат внутри отдельных профессиональных групп необходимо умножить соответствующие возрасту и массе тела величину основного обмена (установленную для конкретного человека) на коэффициент физической активности (соответствующий данной профессиональной группе).

Соответствие количества энергии, поступающей в организм с пищей, суточным энергетическим затратам лежит в основе энергетической (количественной) адекватности питания.

Нарушение этого соответствия (голодание и переедание) изменяет массу тела, функциональное состояние организма, его реактивность, адаптационные возможности и может стать причиной или фактором риска развития многих патологических состояний.

При дефиците поступающей с пищей энергии, т.е. меньшем ее количестве по сравнению с суточными энергозатратами, со временем (в течение недель и месяцев) развивается дефицит массы тела за счет потерь жировых и белковых (мышечных) запасов. При этом распад структурных белков и депонированного жира сопровождается не только высвобождением необходимой энергии, но и образованием токсичных метаболитов, переводя обменные процессы в стрессовый режим функционирования, а саморегулирующуюся систему организма человека - в нестабильное состояние. У взрослых это способствует снижению защитно-адаптационных возможностей организма и развитию целого ряда патологических состояний, а у детей приводит к существенным нарушениям роста и развития (алиментарной дистрофии). Дефицит пищевой энергии, сопряженный с общим понятием «голод», наблюдается в целом у населения экономически слаборазвитых стран, у отдельных бедных слоев развивающихся стран и редко встречается в развитых странах. Потеря массы тела, равная 45-50 % исходной, считается несовместимой с жизнью. Исключение составляет лечение ожирения.

Избыток пищевой энергии - один из основных алиментарных дисбалансов, связанных с употреблением европейского и северо-американского рационов питания. Он обусловлен чрезмерным употреблением всех энергетически ценных макронутриентов (особенно жиров и простых углеводов) и сниженными энергозатратами, составляющими в развитых странах 2100-2500 ккал для мужчин и 1800-2000 ккал для женщин. Регулярно употребляемые лишние пищевые калории являются причиной развития большого числа алиментарно зависимых заболеваний. Ожирение является одним из ведущих факторов риска атеросклероза, ишемической болезни сердца, артериальной гипертензии, сахарного диабета, рака прямой кишки, молочной железы и др.

Состояние здоровья населения, связанное с характером питания, оценивается по показателям пищевого статуса и структуре алиментарно зависимой заболеваемости.

Пищевой статус - это комплекс показателей, отражающий адекватность предшествующего фактического питания реальным потребностям организма. Пищевой статус может быть обычным, оптимальным, избыточным и недостаточным.

Обычный пищевой статус определяется отсутствием связанных с питанием нарушений структуры и функций организма, достаточными для обычных условий жизнедеятельности адаптационными резервами.

Оптимальный пищевой статус формируется при использовании специальных рационов. Нарушений структуры и функций организма нет. Адаптационные резервы обеспечивают существование, выполнение работы в необычных экстремальных условиях.

Избыточный пищевой статус формируется при рационах повышенной энергетической ценности, содержащих избыточное количество пищевых веществ.

Недостаточный пищевой статус формируется при количественной и качественной недостаточности питания. По выраженности нарушений функций и структур он делится на неполноценный, преморбидный и патологический. Неполноценный статус проявляется в снижении адаптационных возможностей организма в обычных условиях существования; симптомы алиментарной недостаточности еще не проявляются. При преморбидном статусе на фоне снижения функциональных возможностей и изменения биохимических показателей появляются микросимптомы пищевой недостаточности. Патологический статус проявляется явными признаками алиментарной недостаточности с выраженными нарушениями структур и функций организма.

Оценку пищевой неадекватности производят на основании показателей роста, массы тела, обмена веществ (конечные продукты обмена в моче, содержание специфических метаболитов в крови, активность ферментов и др.); функционального состояния отдельных систем организма (нервная, пищеварительная, сердечнососудистая и др.). На основании исследований выявляют ранние симптомы пищевой неадекватности.

В настоящее время для контроля массы тела наиболее часто используют так называемый индекс массы тела (ИМТ; BMI), рекомендованный экспертами ФАО/ВОЗ. Он представляет собой отношение фактической массы тела в килограммах к длине тела в метрах в квадрате. Высокая информативность показателя обусловлена его тесной корреляционной связью с содержанием жира в организме. Использование ИМТ особенно целесообразно при скрининговой оценке пищевого статуса при массовых обследованиях. Нормативные величины ИМТ связаны с функциональным состоянием и физической работоспособностью:

Оптимальный (желательный) ИМТ для мужчин составляет 20,1-25,0, для 17-летних юношей, девушек - 21,0, для женщин - 18,7-23,8. При избыточной массе тела ИМТ равен 25,1-30,0, при ожирении он больше 30,1.

В зависимости от массы тела различают следующие степени ожирения:

• I (масса тела по сравнению с идеальной увеличена более чем

на 29 %);

• II (избыток массы тела составляет 30-49 %);

• III (избыток массы тела составляет 50-99 %);

• IV (избыток массы тела составляет 100 % и более).

Кроме вычисления ИМТ необходимо определять толщину кожно-жировой складки с помощью специального инструмента - калипера (имеет вид штангенциркуля).

Толщина кожно-жировой складки является весьма информативным и объективным показателем состояния здоровья и физического развития и может использоваться в лечебно-профилактических учреждениях при проведении скрининговых исследований.

Толщину кожно-жировой складки определяют:

• над двуглавой и трехглавой мышцами правого плеча в их средней части;

• над углом правой лопатки и в правой паховой области примерно в 5 см над серединой пупартовой связки.

В последние годы делаются попытки более конкретно прогнозировать степень риска для здоровья ожирения. Так, считается, что отложившийся в абдоминальной области жир представляет наибольшую опасность для здоровья (заболевания сердечнососудистой системы, склонность к развитию атеросклероза). Риск считается особенно значительным, если отношение окружности талии к окружности бедер больше 0,85.

Среди других показателей учитывают окружности грудной клетки, живота, плеча, голени, измеренные обычной сантиметровой лентой.

Окружность мышц плеча вычисляют по формуле:

где ОМП - окружность мышц плеча, см; ОП - окружность плеча, см; КЖС - толщина кожно-жировой складки.

Нормативный показатель для мужчин от 18 до 25 лет не менее 26 см, от 26 до 45 лет - не менее 27 см.

Часто встречающиеся нарушения пищевого статуса населения России: избыточное потребление животных жиров; дефицит полиненасыщенных жирных кислот; недостаток полноценных (животных) белков; дефицит витаминов - аскорбиновой кислоты, рибофлавина (B₂), тиамина (B₁), пиридоксина (B₆), фолиевой кислоты, ретинола (A) и β-каротина, токоферола (E), дефицит минеральных веществ - кальция, микроэлементов - селена, йода, фтора, цинка, железа; дефицит пищевых волокон.