Роль белков, жиров, углеводов, минеральных веществ и витаминов в метаболизме

Потребность организма в пластических веществах может быть удовле­творена тем минимальным уровнем их поступления с пищей, который уравновешивает потери структурных белков, липидов и углеводов. Эти по­требности индивидуальны и зависят от таких факторов, как возраст чело­века, состояние здоровья, интенсивность и вид труда.

Человек получает в составе пищевых продуктов заключенные в них пла­стические вещества, минеральные вещества и витамины. Суточная потреб­ность человека в белках, жирах и углеводах представлена в разделе 12.5.

12.1.1. Белки и их роль в организме

Белки в организме находятся в состоянии непрерывного обмена и обнов­ления. У здорового взрослого человека количество распавшегося за сутки белка равно количеству вновь синтезированного. Животные существа мо­гут усваивать азот только в составе аминокислот, поступающих в организм с белками пищи. Десять аминокислот из 20 (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, триптофан, треонин, фенилаланин, аргинин и гистидин) в случае их недостаточного поступления с пищей не могут быть синтезиро­ваны в организме. Эти аминокислоты называют незаменимыми. Другие де­сять аминокислот (заменимые) не менее важны для жизнедеятельности, чем незаменимые, но в случае недостаточного поступления с пищей заме­нимых аминокислот они могут синтезироваться в организме. Важным фак­тором обмена белков организма является повторное использование (реути­лизация) аминокислот, образовавшихся при распаде одних белковых моле­кул, для синтеза других.

Скорость распада и обновления белков организма различна. Полупери­од распада гормонов пептидной природы составляет минуты или часы, белков плазмы крови и печени —около 10 сут, белков мышц —около 180 сут. В среднем все белки организма человека обновляются за 80 сут. О суммарном количестве белка, подвергшегося распаду за сутки, судят по количеству азота, выводимого из организма человека. В белке содержится около 16 % азота (т. е. в 100 г белка — 16 г азота). Таким образом, выделе­ние организмом 1 г азота соответствует распаду 6,25 г белка. За сутки из организма взрослого человека выделяется около 3,7 г азота. Из этих дан­ных следует, что масса белка, подвергшегося за сутки полному разруше­нию, составляет 3,7 х 6,25 — 23 г, или 0,028—0,075 г азота на 1 кг массы тела в сутки (коэффициент изнашивания по Рубнеру).

Если количество азота, поступающего в организм с пищей, равно коли­честву азота, выводимого из организма, принято считать, что организм на­ходится в состоянии азотистого равновесия. В случаях, когда в организм поступает азота больше, чем его выделяется, говорят о положительном азо­тистом балансе (задержке, ретенции азота). Такие состояния бывают у че­ловека при увеличении массы мышечной ткани, в период роста организма, беременности, выздоровления после тяжелого истощающего заболевания.

Состояние, при котором количество выводимого из организма азота превышает его поступление в организм, называют отрицательным азоти­стым балансом. Оно имеет место при питании неполноценными белками, когда в организм не поступают какие-либо из незаменимых аминокислот, при белковом голодании или при полном голодании.

Белки, использующиеся в организме в первую очередь в качестве пла­стических веществ, в процессе их разрушения освобождают энергию для синтеза в клетках АТФ и образования тепла.

Всемирной организацией здравоохранения рекомендуется потребление белка не менее 0,75 г/кг в сутки, или для взрослого здорового человека массой 70 кг не менее 52,5 г легкоусвояемого полноценного белка.

12.1.2. Липиды и их роль в организме

Липиды организма человека — это, главным образом, нейтральные слож­ные эфиры глицерина и высших жирных кислот — триглицериды, фосфо­липиды и стерины. Высшие жирные кислоты, входящие в состав сложных липидных молекул в виде углеводородных радикалов, бывают насыщенны­ми и ненасыщенными, содержащими одну и более двойных связей. Липи­ды играют в организме энергетическую и пластическую роль. По сравне­нию с молекулами углеводов и белков молекула липидов является более энергоемкой. Поэтому при окислении липидов в организме образуется больше молекул АТФ и тепла. За счет окисления жиров обеспечивается около 50 % потребности в энергии взрослого организма. Запасы нейтраль­ных жиров-триглицеридов в жировых депо человека в среднем составляют 10—20 % массы его тела. Из них около половины локализуется в подкож­ной жировой клетчатке. Кроме того, значительные запасы нейтрального жира откладываются в большом сальнике, околопочечной клетчатке, в об­ласти гениталий и между мышцами. Жиры, откладываясь в жировых депо, служат долгосрочным резервом питания организма.

Жиры являются источником образования эндогенной воды. При окис­лении 100 г нейтрального жира в организме образуется около 107 г воды. Если в удовлетворении энергетических потребностей организма основную роль играют нейтральные молекулы жира (триглицериды), то пластическая функция липидов в организме осуществляется, главным образом, за счет фосфолипидов, холестерина, жирных кислот. Эти липидные молекулы яв­ляются структурными компонентами клеточных мембран (липопротеинов) и предшественниками синтеза стероидных гормонов, желчных кислот и простагландинов.

12.1.2.1. Клеточные липиды

В состав клеточных липидов входят фосфолипиды и холестерин, являющие­ся необходимыми структурными компонентами поверхностной и внутри­клеточных мембран. Триглицериды откладываются в клетках в виде жиро­вых капель, формируя жировые депо. Последние являются не инертной массой, а активной динамической тканью, в которой запасенные жиры подвергаются постоянному расщеплению и ресинтезу. При действии на организм холода, в состоянии голода, при физической или психоэмоцио­нальной нагрузке происходит интенсивное расщепление (липолиз) запа­сенных триглицеридов. Образующиеся при этом неэстерифицированные жирные кислоты используются в организме как энергодающие или как пластические вещества, необходимые для синтеза сложных липидных мо­лекул. В условиях покоя после приема пищи происходят ресинтез и отло­жение нейтральных липидов в подкожной жировой клетчатке, брюшной полости, мышцах.

12.1.2.2. Бурый жир

Такой оттенок жировой ткани придают окончания симпатических нервных волокон, а также многочисленные митохондрии, содержащиеся в клетках этой ткани. Поэтому бурый жир легко мобилизуется для обеспечения энергетических потребностей организма. Он располагается в межлопаточ­ной области, вдоль крупных сосудов грудной и брюшной полостей, в заты­лочной области шеи. Масса бурой жировой ткани достигает у взрослого 0,1 % массы тела. В митохондриях жировых клеток имеется полипептид молекулярной массой 32 000, способный разобщать идущие здесь процес­сы окисления и образования АТФ. Результатом такого разобщения являет­ся образование в бурой жировой ткани в ходе метаболизма жира значи­тельно большего количества тепла, чем в белой жировой ткани. Бурая жи­ровая ткань участвует в теплопродукции.

12.1.2.3. Липиды плазмы крови

Липидные молекулы, обладая гидрофобными свойствами, не могут раство­ряться в водной среде или образовывать молекулярную взвесь. Попадая в значительных количествах в кровь при переломе крупных трубчатых кос­тей или при переливании неустойчивых жировых эмульсий, они формиру­ют липидные капельки и могут вызвать закупорку сосудов — жировую эм­болию. В физиологических условиях в эпителиальных клетках тонкого ки­шечника и клетках печени из белковых молекул (апопротеинов), фосфоли­пидов, холестерина, эфиров холестерина и триглицеридов формируются транспортные частицы, называемые липопротеинами. По показателям мо­лекулярной массы, размеров и плотности липопротеины крови подразде­ляют на классы: хиломикроны, липопротеины очень низкой плотности, липопротеины низкой плотности и липопротеины высокой плотности.

Липидные молекулы, поступившие из кишечника в эпителиоциты, упа­ковываются в транспортные частицы экзогенных липидов, главным обра­зом в хиломикроны. Хиломикроны через лимфатические сосуды и протоки поступают в кровоток. Под действием липопротеидлипазы эндотелия ка­пилляров главный компонент хиломикронов — нейтральные триглицери­ды — расщепляются до глицерина и свободных жирных кислот. Часть жир­ных кислот может связываться с альбумином, а глицерин и свободные жирные кислоты поступают в жировые клетки и реэстерифицируются в триглицериды. Остатки хиломикронов крови захватываются гепатоцитами по механизму экзоцитоза и разрушаются в лизосомах.

В печени формируются липопротеины для транспорта синтезированных в ней липидных молекул. Это липопротеины очень низкой и липопротеины низкой плотности, которые транспортируются из печени к другим тканям.

Как простые, так и сложные липидные молекулы могут синтезироваться в организме. Исключением являются полиненасыщенные линолевая, ли­ноленовая и арахидоновая жирные кислоты, синтез которых в организме не осуществляется, и они должны поступать с пищей. Эти кислоты, полу­чившие название незаменимых, входят в состав молекул фосфолипидов. Из арахидоновой кислоты, отщепляемой от молекулы мембранных фосфоли­пидов, образуются простагландины, простациклины, тромбоксаны, лей­котриены. Отсутствие в пищевых продуктах или недостаточное поступле­ние в организм незаменимых жирных кислот приводит к задержке роста, нарушению функции почек, заболеваниям кожи, бесплодию.

12.1.3. Углеводы и их роль в организме

Организм человека получает углеводы, главным образом, в виде раститель­ного полисахарида крахмала и в небольшом количестве в виде животного полисахарида гликогена. В желудочно-кишечном тракте осуществляется их расщепление до уровня моносахаридов (глюкозы, фруктозы, лактозы, га­лактозы). Моносахариды, основным из которых является глюкоза, всасыва­ются в кровь и через воротную вену поступают в печеночные клетки. Здесь фруктоза и галактоза превращается в глюкозу. Внутриклеточная концен­трация глюкозы в гепатоцитах близка к ее концентрации в крови. При из­быточном поступлении в печень глюкозы она фосфорилируется и превра­щается в резервную форму ее хранения — гликоген. Количество гликогена может составлять у взрослого человека 150—200 г. В случае ограничения потребления пищи или по мере снижения концентрации глюкозы в крови происходит расщепление гликогена и поступление глюкозы в кровь. Кон­центрация глюкозы в крови через 3—4 ч после приема пищи поддержива­ется на уровне 0,8—1,0 г/л.

Такой же процесс перехода глюкозы в кровь осуществляется, когда ее концентрация в клетке повышается за счет глюконеогенеза — синтеза глю­козы из лактата или аминокислот. В течение первых 12 ч и более после приема пищи поддержание концентрации глюкозы в крови и обеспечение потребности организма в углеводах реализуются за счет распада гликогена в печени. Вслед за истощением запасов гликогена усиливается синтез фер­ментов, обеспечивающих глюконеогенез.

Глюкоза, являющаяся источником энергии для процессов жизнедея­тельности и, в частности, главным источником энергии для клеток мозга, выполняет в организме и пластические функции. Так, в ходе ее окисления образуются промежуточные продукты — пентозы, которые являются со­ставной частью молекулы нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Глюкоза не­обходима для синтеза некоторых аминокислот, синтеза и окисления липи­дов, полисахаридов.

Следовательно, обмен углеводов является необъемным компонентом единого метаболизма.

12.1.4. Минеральные вещества и их роль в организме

Минеральные вещества растворены в жидкостях, составляющих внутрен­нюю среду организма, а также в цитоплазме клеток. Образуемый ими по­лиэлектролит создает необходимые условия для осуществления многочис­ленных химических реакций. Минеральные вещества являются кофактора­ми ферментативных реакций, создают необходимый уровень осмотическо­го давления, обеспечивают кислотно-основное равновесие, участвуют в процессах свертывания крови, создают мембранный потенциал и потенци­ал действия возбудимых клеток.

Данные о физиологической роли, суточной потребности и пищевых ис­точниках минеральных веществ приведены в табл. 12.1.

Таблица 12.1. Физиологическая роль, суточная потребность организма и источник по­ступления минеральных веществ

Вещества	Физиологическая роль, суточная потребность	Источник
Натрий	Содержится в больших количествах во внекле­точной жидкости и плазме крови. Играет важ­нейшую роль в процессах возбуждения, поддер­жании осмотического давления, распределении и выведении воды из организма; участвует в формировании бикарбонатной буферной систе­мы. Суточная потребность — 2—3 г, а в виде NaCl — 5 г	Поваренная соль, в соста­ве растительной и живот­ной пищи, в жидкостях, потребляемых при питье
Кальций	Один из наиболее важных минеральных элемен­тов организма. Выполняет функцию структурно­го компонента в тканях зубов и костей. В этих тканях содержится около 99 % от общего коли­чества Са^2+ в организме. Необходим для осуще­ствления процессов свертывания крови, возбуж­дения клеток, синаптической передачи, сокра­щения мыщц, вторичный посредник в регуля­ции внутриклеточного метаболизма и др. Суточ­ная потребность — 0,8 г	Молоко и молочные про­дукты, овощи, зеленые листья
Калий	Содержится преимущественно внутри клеток, а также в жидкостях внутренней среды. Играет важную роль в процессах реполяризации после возбуждения в нервных волокнах, сокращении мышц, в том числе миокарда. Суточная потреб­ность — 2—3 г	Потребность при нор­мальном питании удовле­творяется за счет пищево­го калия. Наиболее бога­ты мясо, овощи, орехи сухофрукты
Хлор	Содержится как во внеклеточной, так и во внут­риклеточной жидкости. Играет роль в процессах	Поваренная соль, в соста­ве растительной и живот-

 

Продолжение

Вещества	Физиологическая роль, суточная потребность	Источник
	возбуждения и торможения, в синаптической передаче, образовании соляной кислоты желу­дочного сока. Суточная потребность — 3—5 г	ной пищи; в жидкостях, потребляемых при питье
Фосфор	Около 80 % в виде минеральных веществ содер­жится в костях и зубах. В составе фосфолипидов входит в структуру клеточных мембран, липо­протеидов. В составе АТФ и ее производных иг­рает большую роль в метаболизме, осуществле­нии важнейших физиологических процессов. Суточная потребность около 0,7—0,8 г	Пищевые продукты, в особенности молоко, мя­со, яйца, рыба, орехи, злаки
Железо	Около 65 % содержится в гемоглобине крови, находится в скелетных мышцах, печени, селе­зенке, костном мозге, в составе ферментов. Ос­новная функция — связывание кислорода. Су­точная потребность — 10—15 мг	Пищевые продукты, в особенности мясо, пе­чень, свежая рыба, яйца, сухофрукты, орехи
Йод	Важнейший компонент гормонов и предшест­венников гормонов щитовидной железы. Суточ­ная потребность — 0,15—0,3 мг	Йодированная поварен­ная соль, морепродукты, рыбий жир, овощи, выра­щенные на обогащенных йодом почвах
Медь	Содержится в печени, селезенке. Играет роль в процессах всасывания железа, образовании ге­моглобина, пигментации. Суточная потреб­ность — 2—5 мг	Пищевые продукты, в особенности яйца, пе­чень, почки, рыба, шпи­нат, сухие овощи, вино­град
Фтор	Содержится в зубных тканях и необходим для сохранения их целостности. Суточная потреб­ность — 1 мг. При пятикратной передозировке токсичен	Пищевые продукты, фто­рированная NaCl, фтори­рованные зубные пасты и растворы
Магний	Содержится в костной ткани, необходим для ее образования, а также нормального осуществле­ния функции мышечной и нервной тканей. Не­обходим для синтеза многих коферментов. Су­точная потребность — 250—350 мг	Мясо, молоко, целые зерна
Сера	Входит в состав аминокислот, белков (инсулин) и витаминов (В,, Н), суточная потребность предположительно равна 1 г	Пищевые продукты, в особенности мясо, пе­чень, рыба, яйца Пищевые продукты: кра­бы, мясо, бобы, яичный желток
Цинк	Важный компонент ряда ферментов. Необходим для нормального роста. Суточная потребность — 10—15 мг
Кобальт	Входит в состав витамина В12 и необходим для нормального осуществления эритропоэза. Су­точная потребность точно не известна, предпо­ложительно 100—200 мкг	Печень

 

Йод, железо, медь, марганец, цинк, фтор, хром, кобальт относятся к группе микроэлементов; они содержатся в пище и воде в чрезвычайно ма­лых количествах, но необходимы для осуществления метаболических про­цессов, так как входят в состав молекулы ферментов, гормонов и витами­нов. Сведения, приведенные в табл. 12.1, необходимы для анализа пище­вого рациона человека с целью научно обоснованной его коррекции.

12.1.5. Вода и ее роль в организме — см. раздел 14.3. Водно-солевой обмен

12.1.6. Витамины и их роль в организме

Витамины — группы разнородных по химической природе веществ, не син­тезируемых или синтезируемых в недостаточных количествах в организме, но необходимых для нормального осуществления обмена веществ, роста, развития организма и поддержания здоровья. Эти вещества не являются непосредственными источниками энергии и не выполняют пластических функций. Они являются составными компонентами ферментных систем и играют роль катализаторов в обменных процессах. Сведения об источни­ках витаминов, их суточной потребности для взрослого человека и значе­нии в осуществлении физиологических функций приведены в табл. 12.2.

Таблица 12.2. Физиологическая роль, потребность организма и источник поступления витаминов

Вита­мин	Суточная потреб­ность взросло­го чело­века	Основные ис­точники	Физиологическая роль	Признаки недостаточности
А[§] (ре­	А.-	Животные жи­	Необходим для синтеза	Нарушаются функции
тинол)	0,9 мг, бета-ка­ротин — 1,8 мг	ры, мясо, ры­ба, яйца, мо­локо	зрительного пигмента родопсина; оказывает влияние на процессы роста, размножения, пролиферации и оро­говения эпителия	сумеречного зрения, рос­та, развития и размноже­ния. Развивается сухость поверхности конъюнкти­вы и роговицы, изъязвле­ние роговицы
D (каль- цифе- рол)	2,5 мкг	Печень и мя­со млекопи­тающих, пе­чень рыб, яйца	Необходим для всасы­вания из кишечника ионов кальция и для обмена в организме кальция и фосфора	Недостаточное поступле­ние в детском возрасте приводит к развитию ра­хита, что проявляется на­рушением окостенения и роста костей, их декаль­цификацией и размягче­нием
рр[**] (нико­тино­вая ки­слота)	150 мг	Мясо, печень, почки, рыба, дрожжи	Участвует в процессах клеточного дыхания (переносе водорода и электронов); регуляции секреторной и мотор­ной функции желудоч­но-кишечного тракта	Воспаление кожи (пелла­гра), расстройства желу­дочно-кишечного тракта (понос)
К (фил- лохи но­ны)	До 1 мг	Зеленые ли­стья овощей, печень	Участвует в синтезе факторов свертывания крови, протромбина и др.	Замедленное свертыва­ние крови, спонтанные кровотечения
Е (то­коферо­лы)	10—12 мг	Растительные масла, зеле­ные листья овощей, яйца	Антиоксидант (инги­битор окисления)	Четко определенных симптомов недостаточ­ности у человека не опи­сано
С (ас­	50—	Свежие фрук­	Участвует в гидрокси­	Развивается цинга, про­
корби­новая	100 мг	ты и растения (особенно ши-	лировании, образова­нии коллагена, вклю-	явлением которой явля­ются кровоточивость де-

 

Продолжение

Вита­мин	Суточная потреб­ность взросло­го чело­века	Основные ис­точники	Физиологическая роль	Признаки недостаточности
кисло­та)		повник, чер­ная смороди­на, цитрусо­вые)	чении железа в ферри­тин. Повышает устой­чивость организма к инфекциям	сен, мелкие кровоизлия­ния в коже, поражение стенок кровеносных со­судов
Bj (тиа-	1,4-	Целые зерна,	Участвует в энергети-	Развивается заболевание
мин)	2,4 мг	бобы, печень, почки, отру­би, дрожжи	ческом обмене (про­цессах декарбоксили­рования), является ко­ферментом пируват­карбо кси лазы	бери-бери, сопровож­дающееся полиневри­том, нарушением сердеч­ной деятельности и функций желудочно-ки­шечного тракта
В2 (рибо­флавин)	2—3 мг	Зерновые, бо­бы, печень, молоко, дрож­жи, яйца	Входит в состав фла­виновых ферментов. Осуществляет перенос водорода и электронов	Поражение глаз (свето­боязнь), поражение сли­зистой оболочки полости рта и языка
В3 (пан­тотено­вая ки­слота)	10 мг	Зерновые, бо­бы, карто­фель, печень, яйца, рыба	Перенос ацетильной группы (КоА) при син­тезе жирных кислот, стероидов и других со­единений	Общая слабость, голово­кружение, нейромотор- ные нарушения, воспале­ния кожи, поражения слизистых оболочек
В6 (пи­ридок­син)	1,5—3 мг	Зерно, бобы, мясо, печень, дрожжи, ры­ба. Синтезиру­ется микро­флорой ки­шечника	Кофермент трансами­назы, декарбоксилазы, дегидратазы, десульфо­гидразы	Повышенная раздражи­тельность, судороги, ги­похромная анемия. Игра­ет важную роль в обмене аминокислот, белков и жиров, а также в процес­сах кроветворения
В12 (ци- аноко- бала- мин)	2 мкг	Печень, синте­зируется мик­роорганизма­ми кишечника	Компонент ферментов метаболизма нуклеино­вых кислот и метили­рования. Необходим для гемопоэза	Злокачественная анемия
Фолие­вая ки­слота	400 мг	Зеленые ли­стья, овощи, мясо, молоко, дрожжи. Син­тезируется микроорганиз­мами кишеч­ника	Необходима для синте­за пуринов и метиони­на и метаболизма од­ноуглеродных фраг­ментов молекул. Сти­мулирует процесс кро­ветворения	Анемия
pj* ** [††]	150—	Молоко, яич­	Кофермент дезаминаз, карбоксилаз, трансфе­раз, осуществляет пе­ренос СО2	Дерматит (воспаление
(био­тин)	200 мкг	ный желток, печень, синте­зируется мик­роорганизма­ми кишечника		кожи) с гиперфункцией сальных желез

Основными источниками водорастворимых витаминов (группы В, вита­мин С) являются, как правило, пищевые продукты растительного происхо­ждения и в меньшей мере животного происхождения. Эти витамины легко всасываются из желудочно-кишечного тракта в кровь и лимфу.

Основными источниками жирорастворимых витаминов (витамины A, D, Е, К) являются продукты животного происхождения. Для удовлетворения потребностей организма в витаминах имеет значение не только достаточ­ное содержание в пищевом рационе богатых витаминами продуктов расти­тельного и животного происхождения, но и нормальное осуществление процессов пищеварения и всасывания веществ в желудочно-кишечном тракте. Так, при нарушениях пищеварения в тонком кишечнике, связан­ных с недостаточным поступлением в двенадцатиперстную кишку желчи или панкреатической липазы, может наблюдаться недостаточное всасыва­ние из желудочно-кишечного тракта витаминов при их нормальном содер­жании в пище.

Дополнительным источником витаминов К, В₆, и В_]2 является микро­флора толстой кишки. Микроорганизмы синтезируют эти витамины (наря­ду с другими веществами), которые частично усваиваются организмом.

Длительное голодание, питание пищевыми продуктами, не содержащи­ми или содержащими малое количество витаминов, употребление в пищу продуктов после их длительного хранения или неправильной переработки, нарушение пищеварительных функций могут приводить к недостаточному поступлению витаминов в организм (гиповитаминозу). Гиповитаминоз или полное прекращение поступления витамина в организм {авитаминоз) при­водят как к неспецифическим изменениям функций (снижению умствен­ной и физической работоспособности), так и к специфическим нарушени­ям в организме, характерным для гипо- и авитаминоза (см. табл. 12.2). Из­быточный прием витаминов может приводить к гипервитаминозу. При по­ступлении водорастворимых витаминов в дозах, превышающих суточную потребность, эти вещества могут быстро выводиться из организма с мочой. При этом обычно признаков гипервитаминоза не отмечается. Однако, на­пример, потребление больших количеств витамина В₆ может сопровож­даться нарушением функции периферических нервов. Изменения в орга­низме, возникающие при гипервитаминозах A, D, РР, приведены в табл. 12.2.