Введение в обмен веществ. Биохимия питания

1. Основные компоненты пищи и их значение. Биохимические основы сбалансированного питания. Состав пищи человека: органические и минеральные, основные и минорные компоненты. Региональные патологии, связанные с недостатком микроэлементов в пище и воде.

В зависимости от локализации ферментов пищеварение может быть трех видов:

1. Полостное или внеклеточное (гидролиз ферментами, находящихся в свободном виде)

2. Внутриклеточное (гидролиз ферментами, вырабатываемыми в органоидах клетки и также оказывающими свое действие, например, ферменты лизосом)

3. Пристеночное (гидролиз ферментами, находящимися в составе мембран)

Для пищеварительного тракта характерны полостное и пристеночное пищеварение. Согласно классификации одного из ведущих физиологов питания А.А.Покровского, пищевые вещества делятся на нутриенты и непищевые компоненты.

Белки

Белки являются одним из основных компонентов пищи и выполняют ряд функций: пластическую, каталитическую, гормональную, транспортную и др.

Одни из них синтезируются в организме -заменимые, другие, не синтезирующиеся, должны в достаточном количестве поступать с пищей - незаменимые аминокислоты.

Биологическая ценность белков определяется наличием в них незаменимых аминокислот, их соотношением с заменимыми и степенью их усвояемости. В связи с этим различают: биологически ценные белки - «полноценными», в состав которых входят все незаменимые аминокислоты; менее ценные белки - «неполноценные», не имеющие одной или более незаменимых кислот.

В зависимости от своего происхождения различают белки растительного и животного происхождения.

Количество белковой пищи должно обеспечивать необходимую потребность организма в белке, ведь на его долю приходится около 20% сухой массы клетки. Белки в организме выполняют пластическую функцию, т.е. являются основным строительным материалом. Часть белков используется и на энергетические нужды. Примерно 12% энергии, потребляемой организмом, мобилизуется благодаря белкам. Поэтому среднесуточная потребность в белке у взрослого человека составляет 1-1,5 г на 1 кг веса тела, из них 50% - животного происхождения.

Дефицит белка в питании снижает устойчивость организма к инфекциям, отрицательно отражается на деятельности сердечно-сосудистой, дыхательной и других систем организма. Избыточное белковое питание способствует развитию атеросклероза, накоплению в организме токсических продуктов распада белков (аммиак, мочевина и др.), снижает иммунитет, является одним из факторов онкологического риска. Таким образом, как недостаток, так и избыток белка в питании вреден для здоровья.

Углеводы

Углеводы - важнейшие компоненты пищевого рациона, которые выполняют в организме ряд функций: энергетическую (56% энергии организм получает за счет углеводов), пластическую, регуляторную.

Биологическую ценность среди углеводов пищи имеют полисахариды — крахмал и гликоген; дисахариды — сахароза, лактоза, трегалоза, мальтоза, изомальтоза. Лишь небольшая доля углеводов пищи приходится на моносахариды (глюкоза, фруктоза, пентозы и т. д.) Глюкоза является практически единственным поставщиком энергии для деятельности головного мозга.

Из усвояемых полисахаридов особое место занимает крахмал, на долю которого приходится до 80 % потребления углеводов.

К неусвояемым углеводам, помимо клетчатки, относятся целлюлоза, пектиновые вещества, лигнин и др. Хотя клетчатка в тонком кишечнике практически не усваивается, нормальный процесс пищеварения без нее невозможен. Она и другие балластные вещества создают благоприятные условия для продвижения пищи по желудочно-кишечному тракту, нормализуют деятельность микрофлоры, способствуют выведению из организма холестерина. Клетчатка в некоторой степени снижает аппетит и создает чувство насыщения. Клетчатка и пектиновые вещества могут связывать кальций, магний, фосфор, железо, цинк, медь и другие микроэлементы. Оптимальное содержание балластных веществ в суточном рационе около 25 г.

Недостаток в ежедневном рационе углеводов приводит к серьезным физиологическим изменениям: нарушениям функций центральной нервной системы, ослаблению умственной деятельности, атрофии мышц.

Избыток углеводов, особенно легкоусвояемых, является одной их причин нарушения обмена веществ, ведущих к ожирению, сахарному диабету и другим заболеваниям современного человека.

Липиды

Жиры - незаменимые продукты питания в обеспечении многообразных функций организма: энергетическую (дают 30-40% суточной калорийности рациона), пластическую, резервную, защитную, регуляторную. Жиры - это органические соединения, состоящие из глицерина и жирных кислот, растворимые и нерастворимые в воде.

Жирные кислоты, выступая основным компонентом жиров, делятся на насыщенные и ненасыщенные. Насыщенные жирные кислоты, такие, как стеариновая, пальмитиновая и др., могут частично синтезироваться в организме и называются заменимыми. Ненасыщенные жирные кислоты, особенно полиненасыщенные, такие, как линоленовая, линолевая, арахидоновая и др., не могут синтезироваться в организме человека и поэтому являются незаменимыми, часто их называют эссенциальными.

Биологическую ценность для организма человека представляют в основном следующие компоненты пищи. Триацилглицерины, составляющие главную (по массе) часть липидов пищи. Они определяют энергетическое значение пищевых липидов, которые составляют от 1/ 3 до 1/ 2 энергетической ценности пищи. Различные виды фосфолипидов, входящих в состав мембран клеток, поступают преимущественно с продуктами животного происхождения (мясные продукты, желток яиц, масло и т. д.), так же как и холестерин и его эфиры. Фосфолипиды и холестерин определяют пластическую функцию липидов пищи. С липидами пищи поступают незаменимые для организма жирорастворимые витамины и витаминоподобные соединения.

Длительное ограничение потребления жиров приводит к ослаблению иммунитета, нарушению деятельности нервной системы, сокращению продолжительности жизни. Избыточное их потребление, в свою очередь, способствует развитию атеросклероза, ожирению, нарушению обмена веществ.

Витамины

Витамины представляют собой биологически активные вещества, имеющие большое значение для нормальной жизнедеятельности организма. Они являются катализаторами действия ферментов и гормонов, способствуют правильному обмену веществ, повышают умственную и физическую работоспособность, обеспечивают выносливость организма и устойчивость к инфекциям.

Большинство витаминов не синтезируются в организме человека, поэтому необходимо постоянное поступление их с пищей. Некоторые из них депонируются в тканях и расходуются по мере необходимости. Часть витаминов синтезируется микрофлорой кишечника, поэтому даже отсутствие их в пище не вызывает патологических изменений в организме.

С химической точки зрения витамины делят на водорастворимые, жирорастворимые и витаминоподобные вещества. К первым относятся некоторые витамины группы В (В₁, В₂, В₃, В₆, В₁₂, В_С), витамин РР и С. Ко вторым - витамин А, D, Е, К. К третьим - витамин Р, В₁₅, В₄, В₈ и др.

Минеральные вещества

Минеральные вещества в большинстве случаев составляют 0,7-1,5 % съедобной части пищевых продуктов. Они не обладают энергетической ценностью, как белки, жиры и углеводы, однако без них жизнь человека невозможна.

Они играют основную роль в обеспечении постоянства осмотического давления, входят в состав гемоглобина, гормонов, ферментов, являются пластическим материалом для образования костной и зубной ткани. В виде ионов минеральные вещества участвуют в передаче нервных импульсов, обеспечивают свертывание крови и т.д.

Минеральные вещества подразделяются на микро- и макроэлементы, Макроэлементы - Ca, P, Mg, Na, K, Cl, S - содержатся в пище в относительно больших количествах. Микроэлементы - Fe, Zn, J, F, Cu - в незначительных.

Вода

Организм взрослого человека на 60% состоит из воды. Вода является основной средой, в которой протекают многочисленные химические реакции. Содержание воды в организме, каждом органе ткани строго регулируется и поддерживается на постоянном уровне.

Питьевой режим человека определяется многими факторами: температурой окружающей среды, характером и тяжестью выполняемой работы, возрастом и состоянием здоровья, пищевым рационом и режимом питания.

Для здоровья вреден как недостаток воды, так и ее избыток. При недостатке воды в организме происходит некоторое сгущение крови, что негативно сказывается на кислородном и тканевом питании, затрудняется работа почек из-за образования более концентрированной мочи, ухудшается работа мозга (он содержит 80 % воды). При избытке же воды усиливается работа почек, раздражается мочевой пузырь, сердце работает с большой перегрузкой из-за увеличения объема крови.

Биохимические основы сбалансированного питания

Сбалансированное полноценное питание характеризуется оптимальным соответствием количества и соотношений всех компонентов пищи физиологическим потребностям организма. Принимаемая пища должна с учетом ее усвояемости восполнять энергетические затраты человека, которые определяются как сумма основного обмена, специфического динамического действия пищи и расхода энергии на выполняемую человеком работу. В рационе должны быть сбалансированы белки, жиры и углеводы. Среднее соотношение их массы составляет 1:1,2:4, энергетической ценности - 15:30:55 %. Такое соотношение удовлетворяет энергетические и пластические потребности организма, компенсирует израсходованные белки, жиры и углеводы. Следовательно, должен быть приблизительный баланс между количеством каждого пищевого вещества в рационе и их количеством, утилизируемым в организме; их расход и соотношение зависят от вида и напряженности труда, возраста, пола и ряда других факторов.

Суточная потребность пищевых нутриентов для взрослых составляет:

• белки (50 % из них — животного происхождения):

• от 65 до 117 г/сутки, для мужчин

• от 58 до 87 г/сутки, для женщин

• жиры:

• от 70 до 154 г/сутки, для мужчин

• от 60 до 102 г/сутки, для женщин

• углеводы:

• от 257 до 586 г/сутки (50—60 % от энергетической суточной потребности)

• некоторые макроэлементы:

• кальций 1000 мг/сутки (1200 мг/сутки после 60 лет)

• калий 2000 мг/сутки

• некоторые микроэлементы:

• йод 130—200 мкг/сутки

• железо 8-10 мг/сутки (15-20 мг/сутки для женщин)

Суточная потребность пищевых нутриентов для детей составляет:

• белки (60 % из них — животного происхождения):

• до 1 года — 2,2—2,9 г/кг массы тела

• старше 1 года — от 36 до 87 г/сутки

• жиры:

• до 1 года — 5,5—6,5 г/кг массы тела

• старше 1 года — от 40 до 97 г/сутки

• углеводы:

• до 1 года 13 г/кг массы тела

• старше 1 года от 170 до 420 г/сутки

Несбалансированность пищевых веществ может вызвать серьезные нарушения обмена веществ. Должны быть сбалансированы в рационе белки с незаменимыми и заменимыми аминокислотами, жиры с разной насыщенностью жирных кислот, углеводы с разным числом в них мономеров и наличием балластных веществ в виде пищевых волокон (целлюлоза, пектин и др.). В суточном рационе должны быть сбалансированы продукты животного и растительного происхождения.

Важно наличие в рационе витаминов и минеральных веществ, которые соотносятся (балансируются) с расходом и потребностями в них организма в зависимости от возраста, пола, вида труда, времени года и ряда других факторов, влияющих на обмен веществ.

Региональные патологии, связанные с недостатком микроэлементов в пище и воде

Микроэлементами (МЭ) называют элементы, присутствующие в организме человека в очень малых следовых количествах. Это в первую очередь 15 эссенциальных (жизненно необходимых, от англ. “essential”) - Fe, I, Cu, Zn, Co, Cr, Mo, Ni, V, Se, Mn, As, F, Si, Li, а также условно-эссенциальные B, Br.

Кроме шести главных элементов  - С, Н, О, Р, N, S, из которых состоят все органические молекулы, человеку необходимо получать ещё около 20 химических элементов. В зависимости от количества, в каком они должны поступать в организм, минеральные вещества делятся на: макроэлементы - кальций, хлор, магний, калий, натрий - суточная потребность более 100 мг и микроэлементы - железо, марганец, медь, йод, фтор, молибден, селен, цинк и др. - суточная потребность - несколько миллиграммов.

 Биологическая роль минеральных веществ: 1. являются структурными компонентами тканей (кальций, фтор); 2. обеспечивают водно-солевой баланс (натрий, калий); 3. являются простетической группой ферментов, входят в состав активных центров, стабилизируют структуру ферментов и фермент-субстратных комплексов (магний, железо, медь); 4. участвуют в передаче нервных импульсов (кальций); 5. участвуют в гормональной регуляции обмена веществ (иод входит в состав гормонов щитовидной железы, цинк – в состав инсулина).

Микроэлементозы - болезни и симптомы, обусловленные дисбалансом микроэлементов в организме.

Ярко отмечены исторические примеры массовых заболеваний вызванных дефицитом ряда микроэлементов - это железодефицитные анемии, эндемический зоб (дефицит йода), болезнь Кешана-Бека (дефицит селена), акродерматический энтеропатит (дефицит цинка) и т.д. установлено, что избыток молибдена в почвах ведет к нарушению пуринового обмена (подагра, артропатии, уратурия, снижение гемоглобина, эритроцитов; повышение в почвах марганца - заболевания нервной системы (паркинсонизм, судорожная активность); гипоселеноз в почвах вызывает риск онкопатологии и т.д..

Дефицит фтора ведет к кариесу зубов, выпадению волос, остеопорозу.

Эндемический зоб — увеличение щитовидной железы, связанное с дефицитом йода в среде обитания. 

Железодефицитная анемия (ЖДА) — гематологический синдром, характеризующийся нарушением синтеза гемоглобина вследствие дефицита железа и проявляющийся анемией и сидеропенией.

Дефицит селена проявляется эндемической («болезнью Кешана») в некоторых районах Китая, остеоартропатией и кардиомиопатией у женщин и детей. Алиментарный дефицит Se способствует развитию и прогрессированию атеросклероза, вызывает наследственные ферментопатии (дефицит глутатионпероксидазы, поражение мембран эритроцитов и тромбоцитов), муковисцидоз с преимущественным поражением поджелудочной железы, наследственную миотоническую дистрофию.

Следствием недостаточности цинка является воспаление кожи, плохое заживление ран, выпадение волос, диарея, снижение иммунитета и бесплодие. Эти симптомы наиболее наглядны при старом генетическом заболевании — акродерматической энтеропатии, при котором нарушается усваивание организмом цинка; в результате приема больших его доз наступало резкое улучшение.