Понятие об обмене веществ. Обмен белков

  Тема 1. Общее понятие об обмене веществ и энергии

 

Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность химических и физических превращений, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность. Обмен веществ складывается из ассимиляции и диссимиляции. 

Ассимиляция или анаболизм – это усвоение поступающих в организм веществ. При этом процессе энергия расходуется. В процессе ассимиляции образуются сложные органические вещества, входящие в состав клеток и межклеточных структур организма. 

Диссимиляция или катаболизм – это процесс распада веществ, протекающих с освобождением энергии. При диссимиляции сложные органические вещества расщепляются до конечных продуктов: углекислого газа, воды, аммиака, мочевины.

В детском возрасте, когда происходит рост организма, преобладает процесс ассимиляции. Во взрослом организме устанавливается относительное равновесие между двумя процессами. В старческом возрасте преобладает диссимиляция. Нарушение нормальных соотношений между этими процессами наблюдается при болезнях.

Обмен энергии -это совокупность процессов превращения различных форм энергии между собой, а также накопление и использование макроэргических соединений. Для жизнедеятельности организма необходима энергия. Она существует а организме в четырех основных формах:

- химической энергии – для синтеза новых веществ во всех тканях;

- механическая энергия – для работы мышц;

- электрической энергии – для нервной ткани;

- тепловой энергии, которая рассеивается в окружающую среду в виде тепла.

Центральное место из этих форм принадлежит химической энергии (АТФ), которая может необратимо превращаться во все другие виды энергии. Энергия расходуется на процессы синтеза клеток, на осуществление различных физиологических функций, на внешнюю работу, поддержание температуры тела и т.д. Продолжение жизни возможно лишь при постоянном пополнении запасов энергии, что и происходит благодаря приему пищи.

При окислении 1 г жира в организме освобождается 9,3 ккал, 1 г белка и углеводов - соответственно по 4,1 ккал. энергии.

Соотношение количества энергии, поступающей с пищей, и энергии, расходуемой организмом, называется энергетическим балансом. Он может быть положительным, равновесным и отрицательным. 

Положительный энергетический баланс наблюдается при избыточном питании, превышающем действительные расходы энергии. Происходит накопление энергетических запасов за счет увеличения массы жировой ткани. 

Отрицательный энергетический баланс наблюдается в условиях недостаточного питания.  Энергетические запасы уменьшаются. 

В обмене веществ принимают участие белки, углеводы и жиры, а также соли, вода и витамины. 

В живом организме обмен одного вещества, например, белка, связан с обменом других веществ. 

 

 Обмен белков

 

Обмен белков. Белки или протеины – это высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот. В своем составе они содержат азот.

Они, принятые в составе пищи, в пищеварительном канале под воздействием ферментов желудочного, поджелудочного и кишечного соков расщепляются на аминокислоты, которые в тонком кишечнике всасываются в кровь. В клетках органов и тканей из аминокислот синтезируются белки, свойственные человеку. Белки синтезируются в рибосомах и управляет их синтезом ДНК через РНК. 

Функции белков:

1. Структурная (пластическая) – для построения различных клеточных структур, входят также в состав ферментов, гормонов и других веществ. 

2. Ускоряют биохимические реакции в организме. 

3. Защитная – участвуют в образовании иммунных тел (антител) при поступлении в организм чужеродного белка.  Белки также связывают токсины и яды, обеспечивают свертывание крови. 

4. Транспортная – белки принимают участие в переносе многих веществ, например, О2 и СО2

5. Энергетиче6ская роль – обеспечение энергией всех жизненных процессов. 

Конечными продуктами распада белка в организме является Н2О, СО2 и азотосодержащие вещества: аммиак, мочевая кислота. Аммиак, являющийся вредным веществом, в печени превращается в мочевину. Продукты распада белков выводятся из организма наружу через органы выделения. 

Белки в организме в запас не откладываются. У взрослого человека в органах и тканях они синтезируются только в таком количестве, какое необходимо для их возобновления. В детском возрасте в связи с ростом организма синтез белков превышает распад. Белки не могут быть заменены другими пищевыми веществами, а сами могут замещать собой жиры и углеводы. В пищевых продуктах, которые использует человек содержится до 20 аминокислот. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека и должны обязательно поступать с пищей в готовом виде – их называют незаменимыми или жизненно необходимыми – это валин, метионин, лейцин и т.д. Их 8.

Недостаток незаменимых аминокислот в пище приводит к белковым нарушениям. 

Белки, содержащие весь необходимый набор аминокислот, называют биологически полноценными. Наиболее высока биологическая ценность белков молока, яиц, рыбы, мяса. 

Биологически неполноценными называют белки, в составе которых отсутствует хотя бы одна аминокислота, которая не может быть синтезирована в организме (белки кукурузы, пшеницы, ячменя). 

При отсутствии полноценного белкового питания тормозится рост, нарушается формирование скелета. 

Об обмене белков в организме можно судить по обмену азота. В белках содержится до 16 % азота. 

Азот пищи полностью организмом не усваивается. О распавшемся белке в организме судят по содержанию азота в моче (определив содержание азота в моче умножают на 6,25 – узнают количество распавшегося белка в организме). 

Состояние, когда количество выведенного азота ровно количеству введенного называется азотистым равновесием. 

У взрослого здорового человека в нормальных условиях наблюдается азотистое равновесие. При тяжелых заболеваниях и при голодании наблюдается отрицательный азотистый баланс – выводится больше азота, чем поступает. 

В детском возрасте наблюдается положительный азотистый баланс – количество введенного азота превышает количество выведенного. Это связанно с усиленным ростом и синтез белков превышает их распад. 

Суточная потребность в белках среднем 100-120 гр. – она зависит от возраста, профессии и других факторов

 

Обмен жиров

 

В пищеварительном канале жиры пищи под воздействием ферментов желудочного, поджелудочного, кишечного соков и желчи расщепляются на глицерин и жирные кислоты. В слизистой тонкого кишечника они всасываются и превращаются в специфические для человека жиры, которые поступают в лимфу. Затем вместе с лимфой они попадают в кровь и разносятся по всему организму. В организме человека имеются 3 группы жиров: 

1. нейтральные жиры;

2. сложные липиды;

3. стероиды.

Функции жиров:

1. Пластическая – жиры идут на построение различных клеточных структур (оболочки клетки, митохондрии). 

2. Энергетическая – при окислении (расщеплении) жиров освобождается энергия. 

3. Они являются носителями жирорастворимых витаминов. 

4. Некоторые ненасыщенные жирные кислоты играют роль в предупреждении атеросклероза. 

5. Защитная – накапливаясь в п/к клетчатке, предохраняют организм от усиленной отдачи тепла, обеспечивает механическую защиту внутренних органов.

Суточная потребность в жирах для взрослого человека в среднем 70-80 гр. Конечные продукты распада жиров Н2О и СО2. Жиры могут образоваться в организме из белков и углеводов, если же поступают в недостаточном количестве. 

Полное исключение жиров из пищевого рациона приводит к тяжелейшим расстройствам здоровья. Это связано с тем, что в пищевых жирах содержатся полиненасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая, арахидоновая) и т.д. которые не могут синтезироваться в организме и должны поступать в пищей, их называют незаменимыми жирными кислотами. 

 

Обмен углеводов

 

Сложные углеводы, поступающие в составе пищи, подвергаются в пищеварительном канале воздействию слюны, поджелудочного и кишечного соков. 

В результате расщепления образуется три простых сахара т.е. моносахаридов – глюкоза, фруктоза и галактоза. В тонком кишечнике они всасываются в кровь и поступают в печень, где фруктоза и галактоза превращаются в глюкозу, а глюкоза сначала подвергается окислению или накапливается в виде гликогена. 

В печени накапливаются до 70-80 гр. гликогена, он является запасным материалом и по мере надобности превращаются снова в глюкозу. 

Глюкоза служит основным источником энергии для всех клеток, и ее содержание в крови относительно постоянно. 

При ее снижении в крови (гипогликемия), первым начинает страдать головной мозг, т.к. его клетки и не способны запасать глюкозу. Это приводит к изменению обменных процессов в нервной ткани и нарушению функции мозга: наблюдается судороги, потеря сознания, мышечная слабость. 

Кроме клеток печени накапливать глюкозу в виде гликогена могут и мышечные клетки. Но гликоген мышц является резервным горючим и расходуется только для мышечной работы, но не может быть использован для регулирования уровня глюкозы в крови. 

Суточная потребность в углеводах 450-500 гр. Основная функция углеводов энергетическая, они являются главными источниками энергии. 

При недостаточном поступлении углеводов с пищей они могут образовываться из белков и жиров. При избыточном поступлении углеводов с пищей они превращаются в жиры и и откладываются в жировом депо (подкожная клетчатка, сальник и др.). Конечные продукты распада углеводов: Н2О и СО2.

 

 

Рисунок 2. – Схема обмена веществ

 

 Водно-солевой обмен. Значение витаминов

 

Вода и минеральные соли не является питательными веществами, и не служат источником энергии, но значение их для жизнедеятельности организма велико. 

Функции воды: 

• вода входит в состав всех тканей и находится как в клетках, так и внеклеточно. 

• составляет основную часть плазмы и лимфы по объему. 

• служит растворителем продуктов питания и обмена. 

• транспортирует растворимые в ней вещества 

• ослабляет трение между соприкасающимися поверхностями в теле человека. 

• участвует в терморегуляции тела за счет большой теплопроводности. 

 

Общее содержание воды в организме взрослого человека равно 65-70% его массы тела, у детей – 80%. Суточная потребность в воде среднем 2-2,5 л. Эта потребность колеблется в зависимости от климатических условий и условий работы. Вода поступает в организм при питье и в составе принимаемой пищи. 

Поступающая в пищеварительный канал вода всасывается в кровь в тонком и толстом кишечнике. Из крови вода вместе с питательными веществами и солями поступает в ткани. Из тканей вода вместе с продуктами распада поступает в кровь и лимфу. Из организма она выводятся через почки, кожу, легкие и с калом. 

При различных неблагоприятных условиях водный баланс может нарушиться – например, при поносе и рвоте – может наступить обезвоживание организма. Регуляция водного обмена осуществляется гормонами гипофиза и надпочечников.

Обмен воды тесно связан с обменом минеральных солей. Минеральные вещества составляют примерно около 0,9% общей массы тела человека. Различают: макроэлементы - натрий, калий, кальций, хлор, фосфор, магний; микроэлементы - фтор, железо, кобальт, медь, йод. Они содержатся в малых количествах, но обладают выраженной биологической активностью. Эти вещества поступают в составе пищи и выводятся с мочой, потом и калом. Суточная потребность в большинстве солей незначительна и исчисляется для одних в граммах, для других миллиграммах или в долях миллиграмма. 

В составе смешанной пищи в организм обычно поступает достаточное количество различных солей, за исключением,поваренной соли, которую надо добавлять в пищу. 

Функции минеральных веществ:

• создают и поддерживают осмотическое давление в крови и тканях.

• поддерживают постоянство реакции крови (рH = 7,36 – 7,42)

• участвуют в ферментативных реакциях.

• ионы натрия, калия, хлора играют большую роль в процессах возбуждения и торможения, мышечного сокращения, свертывания крови.

• являются составной частью костей (фосфор и кальций), гемоглобина (железо), гормонов щитовидной железы (йод) и желудочного сока (соляная кислота).

 

Значение витаминов. Витамины – vita –по латыни – жизнь. Это группа органических соединений разнообразной химической природы, которые не являются источником энергии и пластическим материалом, но жизненно необходимы, т.к. они выполняют следующие функции:

• входят в состав ферментов и гормонов – поэтому принимают участие в обмене веществ. 

• стимулируют различные обменные процессы (это свойство витаминов используется в медицине для стимуляции защитных сил организма при различных заболеваниях)

• некоторые витамины могут влиять на синтез белков, кроветворение, развитие костей, эпителия, функцию эндокринных органов и др. 

В организме нет запаса витаминов, поэтому они должны поступать с пищей. На обмен витаминов в организме влияет состав пищи. Недостаток тех или витаминов вызывает нарушение всех видов обмена веществ. 

В результате недостаточного поступления в организм тех или иных витаминов развивается – гиповитаминоз. При отсутствии в пище какого-либо витамина в течение длительного времени развивается авитаминоз. Заболевания, вызванные избыточным употреблением витаминов, называются гипервитаминозами.

Все витамины принято разделять на 2 группы: 

• жирорастворимые: А, Д, Е, К

• водоорастворимые: группа В (В1, В2, В6, В15), С, Р. 

 

Тема 2. Обмен белков. Общие положения             В процессах обмена веществ обмен белков занимает ведущее место, поскольку мономерные звенья пищевых белков – аминокислоты, в первую очередь, служат строительным материалом для любой клетки. Аминокислоты пищевых белков в равной степени необходимы как для продукции пищеварительных ферментов (многочисленные протеиназы желудочно-кишечного тракта, внутриклеточные протеиназы и пептидазы), принимающих участие в процессах переваривания пищи, так и для синтеза пептидных гормонов, осуществляющих тонкую регуляции функций разных систем организма. Пищевые белки необходимы для последующего синтеза протеинов плазмы крови, которые принимают участие в поддержании онкотического (осмотического) баланса, а также для синтеза белков-переносчиков малых молекул, в том числе и сигнальных молекул. Роль белков в функционировании иммунной системы также сложно переоценить. В целом белки осуществляют все метаболические процессы клетки и всего организма, выполняя уникальные каталитические функции.          Белки, как компоненты пищевых продуктов, выполняют также энергетическую функцию. Бóльшая часть аминокислот, так называемых глюкогенных аминокислот, превращается в процессе метаболизма в глюкозу. Другая часть аминокислот – кетогенных аминокислот – превращается в оксикислоты и жирные кислоты. Последние служат структурными элементами для синтеза триацилглицеролов, которые накапливаются в адипозной ткани. Однако роль и значение белков в процессах обмена веществ совершенно не определяется их энергетической ценностью. Энергия, получаемая при распаде белка, может быть без всякого ущерба для организма компенсирована энергией распада жиров и углеводов. Важно другое – организм человека и животных не может обходиться без регулярного поступления белков извне. Опыты на лабораторных животных показывают, что даже довольно длительное исключение жиров и углеводов из рациона не вызывает каких-либо тяжелых расстройств метаболизма и, соответственно, не влияет на состояние подопытных животных. Но кормление их в течение нескольких дней пищей, не содержащей белка, приводит к серьезным метаболическим сдвигам, а продолжительное безбелковое питание неизбежно заканчивается гибелью животного.          Таким образом, без белка, без составляющих его аминокислот не может быть обеспечено воспроизводство основных структурных элементов клеток, тканей и органов, а также образование ряда важнейших макромолекул, таких как ферменты, пептидные гормоны, иммуноглобулины, транспортные белки и многие другие.   Баланс азота и азотистое равновесие            Основная масса азота в потребляемой пище приходится на долю белков. Результаты многочисленных анализов разных компонентов в продуктах питания на содержание в них азота показывают, что без какой-либо значительной ошибки основное количество этого важнейшего элемента вводится в организм в составе белка. При обмене белков, содержащийся в них азот выделяется из организма в виде азотистых веществ, главными из которых являются мочевина и аммиак.          Для оценки общего состояния обмена белков большое значение приобретает определение азотистого баланса, т.е. разницы между количеством азота, введенного в организм с продуктами питания, и количеством азота, выведенного из организма в виде конечных азот-содержащих продуктов обмена. Азотистый баланс может быть положительным,равным нулю и отрицательным.          Если азота выводится меньше, чем его было введено, т.е. имеет место накопление данного элемента в организме, то в этом случае обмен белков характеризуется положительным азотистым балансом. В норме положительный азотистый баланс присущ растущему организму или отмечается у женщин во время беременности. Состояние положительного азотистого баланса можно представить в виде схемы, приведенной на рис. 2.1.     Рис. 2.1 Схема, иллюстрирующая состояние основных метаболических путей, характерных для положительного азотистого баланса в организме млекопитающих и человека (Textbook of Biochemistry with clinical correlations, Devlin T.M., (ed.), WILEY-LISS, 1993).     Азотистый баланс может быть равен нулю, если азота выводится из организма столько же, сколько его поступило с пищей. В данном случае принято говорить об азотистом равновесии. Взрослый человек находится в состоянии азотистого равновесия, если он получает достаточное количество белка в продуктах питания. При некотором увеличении количества белка в пище соответственно увеличивается и количество экскретируемого азота. При небольшом уменьшении количества вводимого белка уменьшается и количество выведенного азота, но в обоих случаях баланс азота равен нулю.          Если азота выводится из организма больше, чем его было введено, то имеет место отрицательный азотистый баланс.Это означает, что в организме происходит процесс распада белков клеток, тканей и органов, который не компенсируется белками пищи (рис. 2.2). Отрицательный азотистый баланс наблюдается при различных заболеваниях, связанных с усиленным распадом тканевых белков (метаболический стресс), при нехватке в продуктах питания незаменимых аминокислот, а также при белковом голодании.     Рис. 2.2 Схема, иллюстрирующая состояние основных метаболических путей, характерных для отрицательного азотистого баланса в организме млекопитающих и человека (Textbook of Biochemistry with clinical correlations, Devlin T.M., (ed.), WILEY-LISS, 1993).     Совершенно естественно возникает вопрос о пределах возможного увеличения или уменьшения количества белка в пище. Если кормить подопытных животных таким образом, чтобы полностью покрыть энергетические потребности организма углеводами и жирами, но исключить из рациона белки, то азотистый баланс неизбежно становится отрицательным. Это происходит по той причине, что организм продолжает выделять с мочой азотистые вещества, являющиеся продуктами обмена белков. Поскольку животные не получают белка извне, выделение азотистых веществ указывает на то, что в организме происходит распад белка собственных органов и тканей. Необходимость распада собственных белков при белковом голодании связана с функциональной деятельностью различных органов, а именно: продукцией белок-содержащих секретов эндокринных и экзокринных желез (синтез пептидных гормонов, пищеварительных ферментов), отмиранием и удалением некоторых тканей и образований (рост волос, ногтей, слущивание эпидермиса), разрушением и новообразованием клеток крови, слизистой кишечника и т.д. Естественно, что азотистый баланс при таком рационе все время остается отрицательным, и если эксперимент длится достаточно долго, то это неизбежно приводит к гибели животных.          В медицинской научной литературе имеется описание подобных наблюдений и на людях-добровольцах, которые в течение достаточно продолжительного времени находились на безбелковой диете, включающей крахмал, сахар, жиры и необходимые минеральные добавки. На основании подсчета количества выделяемых при безбелковой диете азотистых веществ было установлено, что взрослый человек после 8-10 дней белкового голодания начинает выделять постоянное количество азота, близкое к 53 мг в сутки на 1 кг веса тела. Для человека со средней массой 70 кг это составляет 3,71 г азота или 23,2 г белка в сутки. Это минимальное количество белка (23,2 г), соответствующее экскреции 3,71 г азота, было названо немецким физиологом Максом Рубнером «коэффициентом изнашивания». Следует, однако, иметь в виду, что «коэффициент изнашивания» представляет собой лишь среднестатистическую величину, которая в действительности зависит от ряда конкретных факторов и может существенно отклоняться от приведенных выше значений.   Нормы белка в питании            В связи со сказанным выше должен возникать закономерный вопрос. Какое же количество белка должно присутствовать в продуктах питания, чтобы обеспечить сохранение здоровья и нормальную жизнедеятельность организма человека?          Исходя из того, что «коэффициент изнашивания» у взрослого человека составляет около 23 граммов белка, казалось бы достаточным введение в организм именно этого количества протеина, что обеспечивало бы покрытие расхода белков, связанного с их распадом в органах и тканях. Однако, как было показано, азотистое равновесие устанавливается при гораздо бóльших количествах белка в пище, чем этого требует «коэффициент изнашивания». В среднем азотистое равновесие устанавливается у человека при употреблении не менее 30-45 г белка в сутки. Это минимальное содержание белка, необходимое для поддержания азотистого равновесия при условии полной компенсации энергетических потребностей организма получило название «физиологического минимума белка».          Возможность достижения азотистого равновесия у человека при потреблении 30-45 г белка в сутки послужила обоснованием для рекомендаций, высказываемых некоторыми учеными о допустимости пользования низкими нормами белка в питании. Однако, неполноценная диета может казаться безвредной лишь в определенные промежутки времени. Часто неполноценность той или иной диеты сказывается лишь на потомстве. Поэтому речь должна идти не о голодной норме белка в питании человека, а об оптимальном его содержании в рационе.          В частности, по данным Департамента продовольствия и питания Национальной академии наук США, пересмотренным в 1989 году, рекомендованное количество белка в продуктах питания должно составлять 58-66 г/сутки для мужчин и 44-50 г/сутки для женщин.          Рекомендованное количество белка в диете, обоснованное российскими врачами-диетологами составляет около 100 г/сутки в умеренном климате и не менее 120 г/сутки в жарком климате. Указанные нормы белка рекомендованы людям, занимающимся в первую очередь умственным трудом или полностью механизированным физическим трудом.          Одним из проявлений неправильного, несбалансированного по белку и энергетическим потребностям питания является истощение или, как его еще называют, маразм. Истощение вызывается хроническим недостатком калорий в пище у детей. Это заболевание развивается у грудных детей после перехода от кормления их грудным молоком на искусственную пищу, приготовленную из злаковых и других растений, и содержащую, как правило, мало калорий и неполноценный растительный белок. Для состояния маразмахарактерна задержка роста, резко выраженная атрофия мышечной системы, общая слабость и анемия. Недостаточное поступление пищевых белков в раннем детстве, даже если оно впоследствии компенсируется нормальной диетой, приводит в любом случае к отставанию в физическом и умственном развитии. Данные проявления недоедания особенно характерны для развивающихся стран, где чаще всего от этого страдают дети и подростки. Смертность детей из-за неполноценного питания в странах с нехваткой продовольствия очень велика – более половины детей не доживает до 5-летнего возраста. Маразм – это одно из проявлений большого числа заболеваний, главной причиной которых следует считать не столько общий недостаток продуктов питания, сколько их несбалансированность по полноценному белку.          Другим проявлением неправильного питания является квашиоркор (kwashiorkor), которое определяется как неадекватное употребление белковой пищи при нормальном энергетическом балансе. Название заболевания произошло от африканского слова, в переводе означающего «отнимание от груди». В слаборазвитых странах детей кормят грудным молоком сравнительно долго, однако, когда их отнимают от груди (причиной этого служит обычно появление следующего ребенка), дети начинают получать пищу с недостаточным количеством белка. Квашиоркор  характеризуется обманчивым упитанным внешним видом, который обусловлен, в первую очередь, отеком. Их ткани из-за сниженного количества белков в плазме крови раздуваются и становятся отечными, вследствие чего нарушается нормальное распределение воды между кровью и тканями. Дегенеративные процессы развиваются также в печени, почках и в поджелудочной железе. Другими проявлениями заболевания являются сухость и ломкость волос, диарея, различные формы дерматита, задержка роста и умственного развития.          Наиболее выраженным следствием нехватки белка в продуктах питания у детей, страдающих квашиоркором, является сильно сниженная способность организма противостоять инфекциям. Эти дети имеют резко сниженное количество Т-лимфоцитов, а также страдают от дефектов, связанных с генерацией фагоцитов и продукцией иммуноглобулинов, интерферона и других компонентов иммунной системы.          Говоря о необходимости поддерживать достаточное количество белков в рационе, не следует, однако, забывать и о том, что избыточное содержание белка в продуктах питания имеет свои отрицательные стороны.          Например, в США большинство населения употребляет белок в количествах гораздо бóльших, чем это необходимо для поддержания азотистого баланса. Средний американец потребляет 99 г белка, 68% которого приходится на долю продуктов животного происхождения. Многочисленные исследования показывают, что здоровый взрослый человек может употреблять такое количество белка без особого вреда для здоровья. Однако, исследования, проведенные в последнее время, показали, что высокое содержание белка в рационе может служить причиной нарушения обмена кальция (Ca+2) в организме. В некоторых работах приводятся данные, свидетельствующие о том, что повышенное содержание белка в пище вызывает увеличение потерь кальция, который выводится почками, что, в свою очередь, сильно ускоряет процесс деминерализации костей с возрастом.          С другой стороны, более серьезные клинические проблемы могут возникать при одновременно высоком содержании в пище, как белка, так и высоко калорийных компонентов. Наиболее часто встречающимся заболеванием, вызванным неправильным избыточным питанием является ожирение. Биохимические механизмы предрасположенности к ожирению все еще не до конца ясны, но большинство исследователей придерживается мнения, что такие нарушения метаболизма являются результатом расстройства термопродукции. Обычно избыточное употребление высококалорийной пищи приводит к тому, что часть калорий превращается в тепло, а не запасается в виде жира. Этот процесс называется индуцированным диетой термогенезом.Существует предположение, что употребление высококалорийной пищи способствует гиперпродукции инсулина, который при участии симпатической нервной системы стимулирует метаболические процессы, обеспечивающие рассеивание энергии в виде тепла. У грызунов – крыс и мышей – за регуляцию теплопродукции отвечает специализированная адипозная ткань, называемая бурым жиром. У человека эта адипозная ткань дает незначительный вклад в теплопродукцию, а основным местом термогенеза является скелетная мускулатура. При склонности к ожирению, у отдельных людей наблюдается не теплопродукция, а эффективное превращение калорий в жир. Хотя, как упоминалось выше, биохимические механизмы теплопродукции в тканях-мишенях и их регуляция до сих пор не до конца выяснены – все же имеется предположение, что речь может идти о нарушении функционирования холостых циклов.   Биологическая ценность белков            Весьма важно, что распад тканевых белков при отсутствии или ограничении белка в продуктах питания можно снизить, если в рацион ввести некоторое количество полноценного белка или, так называемых незаменимых аминокислот. (Shultz T.D., Craig W.J., Johnson P.K., Sancher A., Register U.D., Vegetarianism and Health, (Weininger J. and Briggs G.M. eds.) Nutrition Update, v. 2, New York: Wiley, 1985, p. 129; Shultz T.D., Craig W.J., Johnson P.K., Sancher A., Register U.D.,First International Congress on Vegetarian Nutrition. Proc. Am. J. Clin. Nutr. 48 (Suppl.1), 1988, p. 707.) Незаменимые аминокислоты при этом способствуют вовлечению в ресинтез белка заменимых аминокислот, сберегая тем самым часть тканевых белков. Хорошо известно, что в ряде случаев врачи-диетологи вынуждены предлагать пациентам различные виды диеты, содержащие очень небольшое количество белка. Одним из таких патологических состояний является хроническая почечная недостаточность, которая характеризуется  накоплением в организме конечных продуктов катаболизма белков, главным образом, мочевины. В этом случае необходимо ограничение белка в диете, поскольку образующиеся конечные токсические продукты в первую очередь ответственны за клиническое проявление почечной недостаточности. Очень легко поддерживать пациентов в состоянии азотистого равновесия в течение длительного времени, если их диета включает минимальное количество белка, равное 40 г/день. Однако диеты, содержащие более низкие количества белка, ставят ряд проблем. Проблема заключается в тонком балансировании между количеством белка, достаточном для того, чтобы избежать отрицательного азотистого баланса, но настолько малом, чтобы предотвратить накопление продуктов распада. (Goodship T.H.J., Mitch W.E. Nutritional approaches to preserving renal function. Adv. Intern. Med., 1988, 33, 377). Основными параметрами такой диеты являются необходимые количества полноценного белка и достаточное количество углеводов и жиров для восполнения ежедневных энергетических потребностей. Существенным моментом является присутствие незаменимых аминокислот для поддержания положительного азотистого баланса, с другой стороны организм должен быть в состоянии синтезировать заменимые аминокислоты из других азот-содержащих метаболитов и, наконец, диета должна включать углеводы и жиры, которые бы позволили сберегать белки пищи от энергетического метаболизма в ущерб пластическому обмену. При тщательном подходе к составлению подобных диет удается снизить количество белка в продуктах питания до 20 г/сутки. Для удовлетворения потребностей организма в протеине существенным является не только количество, но и качествобелков в составе пищи. Различные белки, как известно, отличаются процентным содержанием отдельных аминокислот. Поэтому в зависимости от аминокислотного состава, для покрытия потребности в белке требуется одного белка больше, а другого меньше. В этом смысле большое значение приобретает определение биологической ценности белков.Биологическая ценность белка определяется также степенью его усвоения организмом.          Биологическая ценность того или иного белка тем выше, чем ближе его аминокислотный состав к составу белков данного организма. В тесной связи с вопросом о биологической ценности белка находится представление о так называемых жизненно необходимых или незаменимых аминокислотах. В экспериментах на лабораторных животных потребность в белках обеспечивалась добавлением смесей чистых аминокислот, из которых исключалась та или иная аминокислота. На основании оценки состояния животного делали выводы о значении исследуемых аминокислот для роста и развития животных. Было показано, что для нормального роста крыс необходимо 10 незаменимых аминокислот. Дальнейшие эксперименты в этом же направлении свидетельствовали, что наличие незаменимых аминокислот имеет также непосредственное отношение к поддержанию азотистого баланса. Отсутствие в пище любой из незаменимых аминокислот приводит к отрицательному азотистому балансу. Следует, однако, иметь в виду, что механический перенос результатов экспериментов с одного вида животных на другие недопустим. Например, аминокислота глицин не является незаменимой для крыс, но незаменима для цыплят. Различные результаты были получены также на собаках и крысах.          Изучение азотистого обмена у взрослых здоровых людей, которым пищевой белок в рационе заменяли равноценным количеством смеси свободных аминокислот, позволило сделать вывод о том, что человеку для сохранения азотистого равновесия, поддержания массы тела, трудоспособности и удовлетворительного самочувствия необходимо присутствие в пище девяти аминокислот: триптофана, фенилаланина, лизина, гистидина, треонина, метионина, лейцина, изолейцинаи валина. Суточная потребность в незаменимых аминокислотах варьирует от 0,5 г (для триптофана) до 2,0 г (для лейцина, фенилаланина и метионина) (см. табл. 2.1). Новорожденным и растущим детям необходима еще одна, десятая, аминокислота – аргинин. У взрослых людей аргинин образуется в достаточных количествах в печени при функционировании цикла мочевинообразования (или, как его еще называют, орнитинового цикла), однако у детей для одновременного синтеза мочевины и синтеза, необходимых организму белков, вследствие еще недостаточно четкого функционирования цикла мочевинообразования аргинина не хватает.  Таблица 2.1   Незаменимые аминокислоты   Аминокислота, г Аминокислота, г   Аргинин Гистидин Изолейцин Лейцин Лизин     01 -2 1,30 2,02 1,50     Метионин Фенилаланин Треонин Триптофан Валин   2,02 2,02 0,91 0,46 1,50 1 – необходим только новорожденным и растущим детям 2 – незаменимая аминокислота, но точная суточная пока не определена   Питательные свойства белков можно оценить с помощью двух характеристик – химической ценности и биологической ценности. В первом случае белок подвергают полному гидролизу, определяют его аминокислотный состав и сравнивают с аминокислотным составом стандартного белка, полученного, например, из молока или яиц. Этот способ дает возможность оценить потенциальную химическую ценность белка. Мерой биологической ценности белка служит величина, обратно пропорциональная количеству данного белкового продукта, которое необходимо для поддержания азотистого равновесия у взрослого человека. Если в данном белке присутствуют все незаменимые аминокислоты в необходимых пропорциях, и все они могут всасываться в кишечнике, то биологическая ценность такого белка условно равна 100. Для полностью перевариваемых белков с неполным содержанием аминокислот или с полным содержанием аминокислот, но не полностью перевариваемых это значение будет заведомо ниже. В соответствии с этим критерием биологическая ценность белка, в котором отсутствует хотя бы одна незаменимая аминокислота, будет равна нулю.  Таким образом, биологическая ценность того или иного белка определяется не только аминокислотным составом, но и степенью усвоения белка, возможностью его расщепления пищеварительными ферментами. В частности, такие белковые вещества, как волосы, шерсть, перья и другие не могут использоваться организмом в качестве пищевых продуктов, потому что они не подвергаются протеолитическому расщеплению ферментами пищеварительного тракта человека и большинства животных. Даже хищные животные имеют весьма ограниченные возможности переваривать подобные белковые образования.          Основываясь на аминокислотном составе и способности перевариваться в желудочно-кишечном тракте человека и животных, белки пищи принято разделять на полноценные и неполноценные белки. Различными методами, позволяющими разделять сложные белковые смеси на отдельные фракции удалось выделить некоторые индивидуальные белки растительного происхождения, которые отличаются полным отсутствием тех или иных незаменимых аминокислот. К таким белкам относят глиадин пшеницы, зеинкукурузы. Опыты с кормлением животных такими белками показали невозможность их использования для поддержания азотистого равновесия, и такие белки получили название неполноценных. Однако, ни человек, ни животные никогда не употребляют в пищу отдельные чистые белковые фракции. В природе вообще не существует животных или растительных тканей, в которых полностью отсутствовали бы незаменимые аминокислоты. Поэтому, давая характеристику белковым продуктам питания уместно говорить лишь об их большей или меньшей биологической ценности. Хотя растительные белки в целом по питательной ценности уступают животным белкам, тем не менее, при определенной комбинации растительных белков организм обеспечивается полной и сбалансированной смесью аминокислот. Так, например, белки кукурузы содержат мало лизина, но достаточное количество триптофана, тогда как белки бобов богаты лизином, но содержат мало триптофана. В отдельности ни один из этих белков нельзя считать полноценным. Однако смесь бобов и кукурузы содержит необходимое человеку количество незаменимых аминокислот. Такая смесь, известная под названием суккоташ (блюдо из кукурузы и бобов), интуитивно была «составлена» индейцами Нового Света. Жители Востока также издавна научились комбинировать определенные растительные продукты для получения полной с точки зрения питательной ценности смеси аминокислот: примером такой комбинации может служить сочетание риса с соевыми бобами. В Центральной и Южной Америке, где недостаток белков в пище был обычным явлением, Международный комитет по проблемам питания включил в рацион полноценную питательную смесь, известную под названием «Incaparina», содержащую сравнительно дешевые растительные белки, главным образом кукурузы, сорго и хлопковых растений.   Обмен простых белков            В живом организме с момента зарождения и до смерти одновременно происходят процессы отмирания и разрушения клеток, внеклеточного вещества тканей и органов и воспроизводство их, замена новыми. Эти процессы идут настолько интенсивно, что в течение жизни организма его ткани и клетки успевают смениться многократно (примером могут служить эритроциты, полностью обновляющиеся за 3-4 месяца). Поэтому по степени важности в процессах обмена веществ, пластическая функция белков неизмеримо превосходит их энергетическую роль. Общее ежедневное количество белков, которые подлежат перевариванию в организме человека, состоит из 70-100 г белка пищи и 35-200 г эндогенного белка, представленного экскретируемыми пищеварительными ферментами и белками отмирающих клеток. Переваривание белков и всасывание продуктов гидролитического расщепления является весьма эффективным процессом у здорового человека.  За исключением короткого промежутка времени  после рождения у человека (постнатальный период) сколько-нибудь заметного всасывания интактных олиго- и полипептидов в кишечнике не происходит. Важнейший и глубочайший смысл процесса переваривания белков заключен в лишении полипептидных молекул пищи видовой специфичности. Действительно, каждый вид организмов, каждый орган или ткань содержат свои характерные, специфические белки, поэтому при усвоении белков пищи, которые чужеродны для данного организма, они, прежде всего, должны быть лишены их видовой специфичности. С этой целью в пищеварительном тракте происходит «разложение» белков на индифферентный материал – аминокислоты или, частично, простейшие ди- и трипептиды. Такое «разложение» белковых веществ на более простые, лишенные видовой специфичности соединения, способные всасываться в кровь осуществляется с помощью пищеварительных протеолитических гидролаз, расщепляющих в белках пищи пептидные связи:   Эти пищеварительные гидролазы называют пептидазами(протеазами, протеиназами). Данный класс гидролитических ферментов подразделяют на эндопептидазы, которые расщепляют внутренние пептидные связи и образуют большие фрагменты полипептидов и олигопептидов и экзопептидазы, отщепляющие по одному аминокислотному остатку либо с С-, либо с N-конца полипептидной цепи. По этому признаку экзопептидазы далее подразделяют на карбокси- и аминопептидазы. Эндопептидазы играют важнейщую роль на начальных стадиях расщепления белков до более коротких фрагментов, которые впоследствии с большей эффективностью подвергаются деградации под действием экзопептидаз. Специфичность действия различных протеолитических ферментов на пептидные связи, образованные теми или иными аминокислотами объясняется существованием строгого соответствия между структурой активного центра фермента и структурой участка полипептидной цепи, прилегающего к гидролизуемой связи, т.е. строением радикала. Атакуемость белка соответствующей протеиназой зависит также от конформации молекулы белка в целом. Именно поэтому денатурированные нагреванием белки (т.е. подвергшиеся термообработке мясные и рыбные продукты, вареные яйца), а также белки, набухшие под действием соляной кислоты желудочного сока, перевариваются значительно эффективнее, чем белки нативные, хотя при этом их первичная структура остается одинаковой. Протеиназы, входящие в состав желудочного, поджелудочного и кишечного соков воздействуют на пептидные связи в различных участках полипептидных цепей. Поэтому, только в результате комбинированного воздействия всего комплекса протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта осуществляется гидролиз белков до конечных продуктов, представленных свободными аминокислотами, а также ди- и трипептидами, которые всасываются эпителиальными клетками тонкого кишечника.     Рис. 2.3 Схема, отражающая последовательные стадии расщеплениябелков до аминокислот, ди- и трипептидов в желудочно-кишечном тракте (Textbook of Biochemistry with clinical correlations, Devlin T.M., (ed.), WILEY-LISS, 1993).     Таким образом, как показано на рис. 2.3, процесс переваривания белков  может быть условно разделен на желудочную, панкреатическую и интестинальную фазы, в зависимости от участия тех или иных протеиназ, имеющих соответствующее происхождение.    Переваривание белков в  желудке            Хорошо известно, что в полости рта белки никаким изменениям не подвергаются вследствие отсутствия в слюне протеолитических ферментов. Переваривание белков начинается в желудке. Выделяют три основных фактора, обеспечивающих инициацию процесса переваривания:   -     стимуляция выделения гастрина присутствием белка пищи в желудке; -     в свою очередь гастрин обеспечивает секрецию обкладочными клетками слизистой желудка соляной кислоты; -     секреция пепсиногена главными клетками слизистой желудка.   Желудочный сок характеризуется присутствием высокой концентрации HCl и, следовательно, низким значением рН (рН » 2.0), а также наличием протеиназ семейства пепсина. Высокая кислотность содержимого желудка имеет чрезвычайно важное физиологическое и биохимическое значение:   -     во-первых, сильно кислая среда обеспечивает набухание и денатурацию пищевых белков. При этом глобулярные белки утрачивают третичную структуру, вследствие чего внутренние петидные связи становятся доступными для действия протеиназ; -     во-вторых, присутствие соляной кислоты обеспечивает инициацию аутокаталитического процесса превращения пепсиногена в пепсин и создает оптимальные условия для проявления его протеолитической активности. Так, оптимальное значение pH желудочного сока для нормального функционирования пепсина человека составляет 1,5-2,5. При pH 5-6 пепсин практически не проявляет протеолитической активности. -     наконец, высокая концентрация соляной кислоты препятствует развитию в полости желудка микрофлоры, действуя как антисептик, тем самым, предотвращая зарождение гнилостных процессов. Хорошо известно, что при гастритах, при недостаточной кислотности желудочного сока гнилостные процессы в желудке являются причиной появления у больных неприятного запаха изо рта.            В лабораторной клинической практике для тестирования состояния желудка обычно определяют как «свободную»соляную кислоту, так и общую кислотность желудочного сока. Для этого, определенный объем желудочного сока титруют 0,1 N раствором щелочи в присутствии индикаторов – фенолфталеина для определения общей кислотности и диметиламидоазобензола при определении свободной HCl. Область перехода окраски фенолфталеина лежит в пределах pH8,2-10,0, что позволяет определить всю совокупность кисло реагирующих веществ (свободная HCl, кислота, связанная с белками, фосфаты, органические кислоты и др.) в желудочном соке.          Диметиламидоазобензол изменяет окраску в пределах значений pH 2,4-4,0. Эта область pH соответствует моменту нейтрализации щелочью практически всей свободной HCl. Кислотность желудочного сока выражают в миллилитрах 0,1Nраствора NaOH, расходуемого на титрование 100 мл сока – титрационных единицах.          При нормальной функции желудка общая кислотность колеблется обычно в пределах 40-60 титрационных единиц, а свободная соляная кислота – 20-40 единиц.          В настоящее время разработаны беззондные методы определения кислотности желудочного сока. Суть этих методов состоит в использовании ионообменных смол с присоединенным хинином. При введении такой смолы в полость желудка соляная кислота связывается с катионитом, вытесняя хинин, который всасывается в кровь и выводится из организма с мочой. По количеству выделившегося хинина судят о содержании HCl в желудочном соке.   Действие пепсина   Важнейшую роль в переваривании белков в желудке играет протеиназа – пепсин, который секретируется главными клетками слизистой желудка в каталитически неактивной форме – в виде пепсиногена. Активный пепсин образуется из предшественника – пепсиногена (мол. масса 40.000 дальтон)при удалении 44 аминокислотных остатков с N-конца белковой молекулы. Расщепление пептидной связи между аминокислотными остатками в положениях 44 и 45 в пепсиногене может происходить либо посредством автоактивации внутримолекулярной реакции гидролиза при рН ниже 5.0, либо в присутствии следов пепсина за счет автокатализа. Освобождающийся N-концевой пептид остается связанным с остальной частью молекулы фермента и действует как ингибитор пепсина при рН выше 2.0. Этот ингибирующий эффект устраняется либо при снижении рН до значений меньших 2.0, либо в результате дальнейшей деградации N-концевого пептида под действием пепсина. Далее образовавшийся пепсин активирует другие молекулы пепсиногена и весь процесс приобретает лавинообразный характер. Пепсины являются уникальными белками хотя бы потому, что чрезвычайно устойчивы к действию кислот. Фактически эти протеиназы активны только в сильно кислой среде и не активны при нейтральном значении рН. Механизм катализа зависит от присутствия в активном центре фермента двух карбоксильных групп, принадлежащих двум остаткам аспарагиновой кислоты, причем одна карбоксильная группа находится в ионизованной форме, а другая в недиссоциированном состоянии. По этой причине пепсины относят к семейству карбоксипротеиназ. Характерной особенностью карбоксипротеиназ является их ингибирование пепстатином, который оказывает ингибирующее действие в очень низких концентрациях, порядка 10-10 М. Основной желудочной протеиназой является пепсин А (мол. масса 33.000 дальтон), который преимущественно расщепляет пептидные связи, образованные аминогруппами ароматических аминокислот – тирозина,  фенилаланина и триптофана, а также связи Ala-Ala и Ala-Ser. Нервнорефлекторные механизмы отделения желудочного сока и регуляция желудочной секреции достаточно подробно рассматриваются в курсах физиологии. Тем не менее, необходимо остановиться на некоторых аспектах действия гуморальных факторов. К числу таких факторов относится гистамин, являющийся продуктом декарбоксилирования аминокислоты гистидина под действием гистидин-декарбоксилазы (рис. 2.4) и «пищеварительный» гормон гастрин, выполняющий наиболее важную роль в стимуляции секреции желудочного сока. Образование гастрина в слизистой оболочке привратника желудка и поступление его в кровь резко усиливается при поступлении в желудок пищи.     Рис. 2.4 Гистамин является продуктом декарбоксилирования аминокислоты гистидина под действием гистидин-декарбоксилазы           Сравнение активностей этих двух факторов показывает, что полипептид гастрин обладает в 500 раз более высокой способностью стимулировать функцию желудка, чем гистамин. Однако, при введении человеку даже 1 мг гистамина в кровь, обнаруживается интенсивное отделение желудочного сока. Подобная гистаминовая проба используется в лабораторной клинической практике для дифференциальной диагностики ахилий – патологических состояний, характеризующихся неспособностью желудка секретировать пепсин и HCl. Отсутствие секреции в ответ на введение гистамина свидетельствует об атрофическом изменении слизистой желудка. В ходе активации пепсина не весь пепсиноген принимает участие в этом процессе. Частично пепсиноген всасывается в кровь, доставляется в почки и переходит в состав мочи. Присутствующий в моче пепсиноген получил специальное название уропепсиногена. В клинических лабораториях, особенно в педиатрической практике, часто определяется активность уропепсиногена (уропепсина) для оценки функционального состояния и секреторной функции слизистой желудка у детей. При пониженной секреции желудочного сока и при наличии атрофических процессов активность уропепсина резко снижается, а при гиперсекреторных состояниях, например при  язвенной болезни- повышается.          В клинической практике определяют также активность пепсина, особенно при отсутствии свободной HCl в желудочном соке. Это позволяет отличать анацидные состояния (отсутствие HCl при наличии пепсина) от истинных ахилий, при которых секреция желудка практически отсутствует. Основными продуктами гидролиза белка под действием пепсина являются большие пептидные фрагменты и некоторое количество свободных аминокислот. Значение переваривания белков в желудке сводится, в первую очередь, к появлению пептидов и аминокислот, которые действуют в качестве стимуляторов синтеза и выброса холецистокинина. Поэтому пептиды, образованные в результате гидролитического расщепления пищевых белков под действием желудочных протеиназ, являются инструментом инициации панкреатической фазы переваривания белка.