Різні форми прояву життя завжди нерозривно пов'язані з перетворенням енергії. Енергетичний обмін є своєрідною властивістю кожної живої клітини. Багаті енергією речовини засвоюються, а кінцеві продукти обміну речовин з більш низьким вмістом енергії виділяються клітинами. Згідно з першим законом термодинаміки, енергія не зникає і не з'являється знову. Живий організм повинен одержувати енергію в доступній для нього формі з навколишнього середовища і повертати середовищу відповідну кількість енергії у формі, менш придатній для подальшого використання.
Відомо, що живий організм і навколишнє середовище утворюють єдину систему, між ними відбувається безперервний обмін енергією і речовинами. Нормальна життєдіяльність організму підтримується регулюванням внутрішніх компонентів, що вимагають витрати енергії. Використання хімічної енергії в організмі називають енергетичним обміном. Тільки він служить показником загального стану і фізіологічної активності організму.
Обмінні (метаболічні) процеси, при яких специфічні елементи організму синтезуються з харчових продуктів, називають анаболізмом (асиміляцією), а ті метаболічні процеси, при яких відбувається розпад структурних елементів організму або засвоєння харчових продуктів, - катаболізмом (дисиміляцією).
Кількість енергії, що виділяється при згорянні певної речовини, не залежить від етапів його розпаду. Відомо, що вуглеводи і білки дають у середньому близько 17,16 кДж / г (4,1 ккал / г) енергії. Самою високою енергетичною здатністю мають жири: 1 г жиру дає 38 ГДж / г (9,1 ккал / г) енергії, що більше кількості енергії, що виділяється при окисленні білків і вуглеводів, разом узятих.
Енергетичний обмін живого організму складається з основного обміну і робочої надбавки до основного обміну. Кількість енергії, що витрачається організмом у стані спокою і натщесерце, називається основним обміном.
Основний обмін в значній мірі залежить від функцій нервової та ендокринної систем, фізіологічного стану внутрішніх органів, а також від зовнішніх впливів на організм. Рівень основного обміну може змінюватися при недостатньому або зайвому харчуванні, тривалої фізичному навантаженні, зміни кліматичних умов та ін У різних людей величина основного обміну залежить головним чином від віку, маси тіла, статі, зросту.
Робоча прибавка - це підвищення енергетичного обміну вище основного обсягу. Фактори, при яких збільшується витрата енергії - прийом їжі, зміни зовнішньої температури і м'язова робота.
Основний обмін порушується при захворюваннях ендокринних залоз. Наприклад, при гіперфункції щитовидної залози він може збільшитися до 150% від норми, а при гіпофункції знижується. Значні зміни спостерігаються при патології гіпофіза, регулює діяльність периферичних залоз внутрішньої секреції.
Для визначення інтенсивності обміну речовин і енергії використовують прямі і непрямі методи калориметрії. Метод прямої калориметрії заснований на безпосередньому визначенні тепла, що виділяється в процесі життєдіяльності організму. На практиці частіше використовують метод непрямої калориметрії. Суть його полягає в тому, що спочатку визначають обсяг легеневої вентиляції, а потім кількість поглиненого кисню і виділеного вуглекислого газу. Відношення обсягу виділеного вуглекислого газу до об'єму поглиненого організмом кисню називається дихальним коефіцієнтом. За величиною останнього можна судити про характер окислювальних речовин в організмі.
Інтенсивність обмінних процесів в значній мірі залежить від величини фізичного навантаження.
Під раціональним харчуванням розуміють достатнє в кількісному і повноцінне в якісному відношенні харчування. Основа раціонального харчування - збалансованість, оптимальні співвідношення компонентів їжі (амінокислот, поліненасичених жирових кислот, фосфатидів, стеринів, жирів, цукрів, вітамінів, мінеральних солей, органічних кислот і ін.) Для людини збалансоване харчування включає білки, жири і вуглеводи в масових співвідношеннях 1:1:4.
БІЛКОВИЙ ОБМІН
Відомо, що білок складається з амінокислот. У свою чергу амінокислоти є не тільки джерелом. синтезу нових структурних білків, ферментів, речовин гормональної, білкової, пептидної природи та інших, а й джерелом енергії. Характеристика білків, що входять до складу їжі, залежить як від енергетичної цінності, так і від спектру амінокислот.
Багато білкових структур побудовано з неповторних комбінацій тільки 20 амінокислот. Одні з них можуть синтезуватися в організмі (гліцин, аланін, цистеїн і ін), інші (аргінін, лейцин, лізин, триптофан і ін) не синтезуються і повинні обов'язково надходити з їжею. Такі амінокислоти називаються незамінними. Ті й інші дуже важливі для організму. Білки, що містять повний набір незамінних амінокислот, називаються біологічно повноцінними. За добу в організм дорослої людини повинно надходити з їжею близько 70-90 г білка (1 г на 1 кг маси тіла), причому 30 г білка повинно бути рослинного походження. Кількість білка, що надходить, залежить і від виконуваного фізичного навантаження. Про кількість розщепленого в організмі білка судять за кількістю виділеного з організму азоту (з сечею, потом). Це положення грунтується на тому, що азот входить тільки до складу білків (амінокислот). Стан, при якому кількість надходження азоту дорівнює кількості виведеного з організму, називається азотистою рівновагою.
Стан, при якому в організм з їжею надходить менше азоту, а більше його виводиться, отримало назву негативного азотистого балансу. В даному випадку руйнування білка переважає над його синтезом. Це спостерігається при білковому голодуванні, гарячкових станах, порушеннях нейроендокринної регуляції білкового обміну. Позитивний азотистий баланс - це стан, при якому кількість виведеного з організму азоту значно менше, ніж його міститься в їжі (спостерігається накопичення його в організмі). Позитивний азотистий баланс відзначається у вагітних, у дітей у зв'язку з їх зростанням, при одужанні після важких захворювань і ін
Білки в організмі виконують в основному пластичну функцію. Вони входять до складу ферментів, гормонів, регулюють різні процеси в організмі, здійснюють захисні функції, визначають видову й індивідуальну особливості організму. Крім того, білки використовують в якості енергетичного матеріалу, недостатнє забезпечення ними призводить до втрати внутрішніх білків. Джерелом вільних амінокислот в першу чергу є білки плазми, ферментні білки, білки печінки, слизової оболонки кишечника і м'язів, що дозволяє тривалий час підтримувати без втрат оновлення білків мозку і серця.
На регуляцію білкового обміну впливають нервова система, гормони гіпофіза (соматотропний гормон), щитовидної залози (тироксин), наднирників (глюкокортикоїди).
Вуглеводневий обмін
В організмі людини до 60% енергії задовольняється за рахунок вуглеводів. Внаслідок цього енергообмін мозку майже виключно здійснюється глюкозою. Вуглеводи виконують і пластичну функцію. Вони входять до складу складних клітинних структур (глікопептиди, глікопротеїни, гліколіпіди, ліпополісахариди та ін.) Вуглеводи поділяються на прості і складні. Останні при розщепленні в травному тракті утворюють прості моносахариди, які потім з кишечника надходять у кров. В організм вуглеводи поступають головним чином з рослинною їжею (хліб, овочі, крупи, фрукти) і відкладаються в основному у вигляді глікогену в печінці, м'язах.
Процес утворення і накопичення глікогену регулюється гормоном підшлункової залози інсуліном. Процес розщеплення глікогену до глюкози відбувається під впливом іншого гормону підшлункової залози - глюкагону.
Вміст глюкози в крові, а також запаси глікогену регулюються і центральною нервовою системою. Нервове вплив від центрів вуглеводного обміну надходить до органів по вегетативній нервовій системі. Зокрема, імпульси, що йдуть від центрів по симпатичних нервах, безпосередньо підсилюють розщеплення глікогену в печінці і м'язах, а також виділення з надниркових залоз адреналіну. Останній сприяє перетворенню глікогену в глюкозу і підсилює окисні процеси в клітинах. У регуляції вуглеводного обміну також беруть участь гормони кори надниркових залоз, середньої частки гіпофіза і щитовидної залози.
Оптимальна кількість вуглеводів на добу становить близько 500 г, але ця величина в залежності від енергетичних потреб організму може значно змінюватися.
ЛІПІДНИЙ ОБМІН
Ліпіди - складні органічні речовини, до яких відносяться нейтральні жири, які складаються з гліцерину і жирних кислот, ліпоїдів (лецитину, холестерин). Крім жирних кислот, до складу ліпоїдів входять багатоатомні спирти, фосфати і азотисті сполуки.
Ліпіди відіграють важливу роль у життєдіяльності організму. Деякі з них (фосфоліпіди) складають основний компонент клітинних мембран або є джерелом синтезу стероїдних гормонів (холестерин). Частина жиру накопичується в клітинах жирової тканини як нейтральний запасний жир, кількість якого складає 10-30% маси тіла, а при порушеннях обміну речовин і більше. Дорослій людині щодня необхідно 70-80 г жиру. Жири мають не тільки енергетичне значення. Вони розчиняють і виводять з організму так звані незамінні жирні кислоти (лінолева, ліноленова, арахідіновая), які умовно об'єднують у групу вітаміну F, а також жиророзчинні вітаміни (вітаміни A, D, Е, К). Обмін ліпідів тісно пов'язаний з обміном білків і вуглеводів. При збільшенні надходження в організм білки і вуглеводи можуть перетворюватися в жири.
У регуляції ліпідного обміну значну роль відіграють центральна нервова система, а також багато залози внутрішньої секреції (статеві, щитовидна залози, гіпофіз, наднирники).