Обмін речовин і енергії в організмі людини

Обмін речовин (метаболізм) — це сукупність хімічних перетворень, які відбуваються в організмі після надходження поживних речовин. Він охоплює два протилежні, але нерозривні процеси: пластичний обмін (анаболізм) — синтез власних речовин клітини (білків, жирів, нуклеїнових кислот) і енергетичний обмін (катаболізм) — розщеплення речовин з вивільненням енергії, яку запасає АТФ. Реакції обох типів каталізують ферменти, а послідовність реакцій називають метаболічним шляхом.

Розгляньмо, як організм перетворює три основні класи поживних речовин: білки, вуглеводи та жири.

Обмін білків

Білки, що надходять з їжею, у травному каналі розщеплюються до амінокислот. З амінокислот клітини синтезують власні білки: ферменти, гормони (наприклад, інсулін), антитіла, скоротливі білки м’язів (актин і міозин), гемоглобін, колаген тощо. Це головне — пластичне — значення білків. Енергетичне значення білків другорядне: амінокислоти окиснюються з вивільненням енергії, коли їх надходить більше, ніж потрібно для синтезу білків, а також за нестачі вуглеводів і жирів.

Серед 20 амінокислот, що входять до складу білків людини, 8–10 є незамінними — організм не може їх синтезувати й має отримувати з їжею. Білки тваринного походження (м’ясо, риба, яйця, молоко) містять повний набір незамінних амінокислот, тому їх називають повноцінними. Більшість рослинних білків неповноцінні, бо в них бракує однієї чи кількох незамінних амінокислот. Однак поєднання різних рослинних продуктів (наприклад, зернових і бобових) дає змогу отримати повний амінокислотний склад.

Надлишок амінокислот не запасається в організмі як білок. Від амінокислоти відщеплюється аміногрупа (—NH₂) — цей процес називають дезамінуванням. Утворюється отруйний аміак (NH₃), який печінка негайно перетворює на сечовину — набагато менш токсичну сполуку. Сечовину виводять нирки з сечею. Решта молекули амінокислоти (вуглецевий скелет) окиснюється до CO₂ і H₂O з вивільненням енергії або перетворюється на вуглеводи чи жири. Отже, кінцеві продукти обміну білків — CO₂, H₂O та сечовина.

Обмін вуглеводів

Вуглеводи їжі (крохмаль, глікоген, сахароза, лактоза) розщеплюються до моносахаридів, насамперед глюкози. Глюкоза — головне джерело енергії для всіх клітин, а для мозку — майже єдине. У нормі концентрація глюкози в крові становить 3,3–5,5 ммоль/л.

Після їди рівень глюкози в крові зростає. Надлишок глюкози клітини печінки й м’язів перетворюють на глікоген — полісахарид, що є формою запасу вуглеводів. Коли запаси глікогену заповнені, надлишок глюкози перетворюється на жир і відкладається в жировій тканині. Між прийомами їжі, під час голодування або фізичної роботи глікоген печінки розщеплюється до глюкози, яка надходить у кров. Кінцеві продукти повного окиснення глюкози — CO₂ і H₂O.

Обмін жирів

Жири їжі (тригліцериди) розщеплюються до гліцерину й жирних кислот. З них клітини синтезують жири, властиві людині, фосфоліпіди (основа клітинних мембран), а з холестеролу — стероїдні гормони (кортикостероїди, статеві гормони) та вітамін D.

Жири — найенергоємніше «пальне»: 1 г жиру дає більш ніж удвічі більше енергії (38,9 кДж), ніж 1 г вуглеводів або білків (близько 17 кДж). Надлишок жирів відкладається в жировій тканині, яка виконує роль енергетичного резерву, теплоізоляції та захисту внутрішніх органів. Деякі жирні кислоти є незамінними (наприклад, лінолева) — вони мають надходити з рослинними оліями. Кінцеві продукти окиснення жирів — CO₂ і H₂O.

На схемі показано основні шляхи обміну білків, вуглеводів і жирів. Зверни увагу: лише білки дають азотовмісний кінцевий продукт — сечовину.

Водний обмін

Вода становить близько 60–65 % маси тіла дорослої людини. Вона є універсальним розчинником, середовищем для хімічних реакцій, бере участь у транспорті речовин і терморегуляції. Добова потреба у воді — близько 2–2,5 л. Цю кількість людина отримує з питтям (вода, напої) та їжею. Крім того, частину води утворюють самі клітини в реакціях окиснення поживних речовин (так звана ендогенна вода).

Воду з організму виводять: нирки (близько 1,5 л на добу з сечею), шкіра (з потом), легені (з видихуваним повітрям) і кишечник (з калом). Співвідношення шляхів виведення змінюється залежно від температури середовища й фізичної активності. Центр спраги, який регулює відчуття спраги й спонукає до пиття, розташований у гіпоталамусі.

Мінеральний обмін

Мінеральні солі надходять в організм з їжею та водою. Вони необхідні для підтримання кислотно-лужної рівноваги, осмотичного тиску, проведення нервових імпульсів, скорочення м’язів, утворення кісткової тканини й синтезу біологічно активних сполук. Основні функції найважливіших мінеральних елементів:

Надлишок кухонної солі (NaCl) у раціоні сприяє підвищенню артеріального тиску, тому добове споживання солі не має перевищувати 5–6 г. Нестача окремих елементів (I, F, Fe, Ca, K) спричиняє специфічні захворювання, які детально розглянуто в юніті «Хімічні елементи клітини».

Якість питної води

Питна вода має відповідати певним санітарним нормам. Основні показники якості:

• прозорість, відсутність запаху й присмаку;

• відсутність хвороботворних мікроорганізмів (показник фекального забруднення — наявність кишкової палички Escherichia coli);

• відсутність надлишку нітратів, важких металів (свинець, ртуть, кадмій) і солей жорсткості.

Через забруднену воду поширюються небезпечні кишкові інфекції: холера, черевний тиф, дизентерія, вірусний гепатит A. Особливу небезпеку становлять нітрати з добрив, які потрапляють у колодязну воду поблизу полів. Для немовлят нітрати особливо небезпечні, бо вони порушують транспорт кисню в крові (метгемоглобінемія).

Способи знешкодження води: на водогонах застосовують відстоювання, фільтрування, хлорування або озонування; удома — кип’ятіння (знищує більшість мікроорганізмів) і побутові фільтри (затримують механічні домішки, хлор, важкі метали).

Енергетична цінність їжі

Енергетична цінність (калорійність) — це кількість енергії, яка вивільняється в організмі під час окиснення 1 грама поживної речовини. Для білків і вуглеводів вона становить близько 17,2 кДж/г (для вуглеводів часто наводять 17,6 кДж/г), а для жирів — близько 38,9 кДж/г. Для довідки: 1 кілокалорія (ккал) приблизно дорівнює 4,19 кДж.

Цікаво, що в калориметрі (приладі для спалювання речовин) білок дає більше енергії, ніж в організмі. Причина в тому, що сечовина, яку утворює організм і виводить із сечею, ще містить хімічну енергію, яка в калориметрі теж вивільняється. Тому для розрахунків в організмі використовують саме наведені коефіцієнти.

Формула для обчислення енергетичної цінності порції їжі:

$$E=17,2\cdot m_{\text{білків}}+38,9\cdot m_{\text{жирів}}+17,2\cdot m_{\text{вуглеводів}}$$де маси речовин подано в грамах.

Приклад: 100 г сиру містить 18 г білків, 9 г жирів і 3 г вуглеводів. Енергетична цінність:

$$E=17,2\cdot 18+38,9\cdot 9+17,2\cdot 3=309,6+350,1+51,6=711,3\text{кДж}$$

На НМТ коефіцієнти енергетичної цінності завжди подають в умові завдання. Твоє завдання — правильно застосувати формулу й не переплутати, який коефіцієнт до якої речовини належить.

Основний обмін

Основний обмін — це мінімальна кількість енергії, необхідна для підтримання життя в стані спокою. Ця енергія забезпечує роботу серця, дихання, нирок, мозку, підтримання сталої температури тіла та інші базові процеси.

Умови вимірювання основного обміну:

• стан спокою — людина лежить, не спить;

• натщесерце — через 12–16 годин після останнього прийому їжі;

• комфортна температура середовища (близько 20–22 °C);

• психічний спокій.

У дорослої людини основний обмін становить приблизно 4,2 кДж на 1 кг маси тіла за годину. Для людини масою 70 кг це близько 7000 кДж на добу. Основний обмін вищий у дітей (ніж у дорослих), у чоловіків (ніж у жінок) і зростає за надлишку гормону тироксину (гіпертиреоз).

Загальний (добовий) обмін

Загальний обмін — це сумарні енерговитрати організму за добу. Він складається з:

• основного обміну;

• енерговитрат на фізичну й розумову роботу;

• енерговитрат на перетравлення їжі (харчовий термогенез).

Загальний обмін найбільший у людей важкої фізичної праці (будівельники, шахтарі) та спортсменів під час тренувань. У людей із сидячою роботою він лише трохи перевищує основний обмін. Саме загальний обмін визначає, скільки енергії людина має отримувати з їжею, щоб не худнути й не набирати зайву вагу.

Раціональне (збалансоване) харчування — це харчування, яке повністю забезпечує енергетичні й пластичні потреби організму та підтримує здоров’я. Його головні принципи:

• енергетична цінність раціону відповідає добовим енерговитратам (загальному обміну);

• співвідношення білків, жирів і вуглеводів за масою — 1 : 1 : 4;

• раціон містить достатню кількість вітамінів, мінеральних солей, води й клітковини;

• дотримання режиму харчування.

Співвідношення 1 : 1 : 4 означає, що на 1 частину білків має припадати 1 частина жирів і 4 частини вуглеводів. Наприклад, якщо за день людина з’їла 80 г білків, то жирів має бути близько 80 г, а вуглеводів — близько 320 г. У людей важкої фізичної праці частка вуглеводів може бути більшою (до 5–6 частин), оскільки вуглеводи — найдоступніше джерело енергії для м’язів.

Режим харчування

Рекомендовано їсти 3–5 разів на день в один і той самий час. Найбільшу частку добової енергії (близько 35–40 %) слід отримувати в обід. Востаннє варто їсти не пізніше ніж за 2 години до сну. Порушення режиму (рідкісні рясні прийоми їжі, переїдання на ніч) сприяють ожирінню та порушенням травлення.

Аналіз раціону за таблицею

На НМТ можуть запропонувати таблицю зі складом продуктів за день. Щоб оцінити раціон:

1. обчисли загальну масу білків, жирів і вуглеводів за день;

2. перевір співвідношення 1 : 1 : 4 (поділи масу кожної речовини на найменшу з них);

3. обчисли загальну енергетичну цінність раціону за формулою;

4. порівняй отриману енергетичну цінність з енерговитратами, поданими в умові.

Добова потреба в енергії залежить від віку, статі, маси тіла й характеру праці. Надлишок енергії (якщо їсти більше, ніж витрачаєш) відкладається як жир — це призводить до ожиріння. Нестача енергії веде до виснаження, а нестача білка особливо шкодить росту дітей, оскільки білок — головний будівельний матеріал.

Пластичне й енергетичне значення речовин

Знешкоджувальна функція печінки

Печінка — головний орган знешкодження токсичних сполук в організмі. Вона виконує цю роль завдяки ферментним системам, які окиснюють або зв’язують отруйні речовини з іншими молекулами, перетворюючи їх на менш токсичні або розчинні сполуки, які потім виводять нирки (з сечею) або кишечник (з жовчю).

Основні речовини, які знешкоджує печінка:

• аміак (NH₃) — перетворює на сечовину в циклі сечовини (орнітиновому циклі);

• етанол (алкоголь) — окиснює до вуглекислого газу й води;

• ліки та інші чужорідні сполуки (ксенобіотики) — модифікує для виведення.

Як печінка затримує отрути, що надходять з кишечника через ворітну вену, детально описано в юніті «Травлення в кишечнику, печінка і підшлункова залоза».

Негативний вплив токсичних речовин

Хронічне надходження токсичних речовин в організм призводить до серйозних порушень:

• алкоголь уражає печінку (жирове переродження, цироз) і мозок (енцефалопатія);

• нікотин звужує кровоносні судини, підвищує артеріальний тиск;

• важкі метали (свинець, ртуть, кадмій) порушують роботу ферментів і кровотворення;

• пестициди та надлишок нітратів отруюють клітини, порушують транспорт кисню.

Нейрогуморальна регуляція обміну речовин

Обмін речовин регулюють нервова й ендокринна системи. Ключову роль відіграє гіпоталамус — відділ проміжного мозку, у якому розташовані центри голоду, насичення й спраги. Гіпоталамус пов’язаний з гіпофізом, який виділяє тропні гормони, що регулюють роботу інших залоз.

Основні гормони, що впливають на обмін:

Будову залоз внутрішньої секреції та їхні хвороби детально розглядають окремі юніти про ендокринну систему.

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему обміну речовин і раціонального харчування.

Приклад 1. Два твердження з розрахунком енергетичної цінності

Умова: Сніданок містить 25 г білків, 20 г жирів і 80 г вуглеводів. Енергетична цінність 1 г білків — 17,2 кДж, 1 г жирів — 38,9 кДж, 1 г вуглеводів — 17,2 кДж.

I. Енергетична цінність сніданку перевищує 2500 кДж.

II. Найбільшу частку енергії в цьому сніданку дають жири.

Яке з тверджень правильне?

Розв’язання:

1. Обчислимо енергію від білків: 17,2 · 25 = 430 кДж.

2. Обчислимо енергію від жирів: 38,9 · 20 = 778 кДж.

3. Обчислимо енергію від вуглеводів: 17,2 · 80 = 1376 кДж.

4. Загальна енергетична цінність: 430 + 778 + 1376 = 2584 кДж. Це більше за 2500 кДж, отже, твердження I правильне.

5. Порівняємо частки: вуглеводи дали 1376 кДж, жири — 778 кДж, білки — 430 кДж. Найбільшу частку дають вуглеводи, а не жири. Отже, твердження II хибне.

Відповідь: правильне лише I.

Чому інші варіанти хибні: варіант «обидва правильні» не підходить, бо II хибне; «обидва хибні» — I правильне; «правильне лише II» — II хибне.

Приклад 2. Логічні пари: речовина — кінцеві продукти чи форма запасу

Установи відповідність між речовиною (1–4) та її кінцевими продуктами обміну або формою запасу (А–Д).

1 Білки

2 Надлишок глюкози

3 Надлишок жирів

4 Аміак

А CO₂, H₂O і сечовина

Б Глікоген у печінці й м’язах

В Запас у жировій тканині

Г Сечовина, утворена в печінці

Д Запас у вигляді білка в м’язах (зайве)

Розв’язання:

• Білки (1) окиснюються до CO₂, H₂O і сечовини — відповідь А.

• Надлишок глюкози (2) перетворюється на глікоген у печінці й м’язах — відповідь Б.

• Надлишок жирів (3) відкладається в жировій тканині — відповідь В.

• Аміак (4) знешкоджується в печінці, утворюючи сечовину — відповідь Г.

Відповідь: 1А, 2Б, 3В, 4Г. Варіант Д зайвий, бо білки не відкладаються про запас у м’язах.

Приклад 3. Умови вимірювання основного обміну

За яких умов вимірюють основний обмін?

А Після сніданку в стані спокою.

Б Під час сну.

В У спокої, лежачи, не спавши, натщесерце, за комфортної температури.

Г Під час помірної фізичної роботи.

Розв’язання: Основний обмін вимірюють у стані спокою, лежачи, не спавши, натщесерце (через 12–16 год після їди), за комфортної температури. Варіант А хибний, бо після сніданку травлення підвищує обмін. Варіант Б хибний, бо під час сну обмін дещо нижчий, ніж основний. Варіант Г хибний, бо фізична робота значно підвищує обмін.

Відповідь: В.

Приклад 4. Співвідношення речовин у раціональному харчуванні

Яке співвідношення білків, жирів і вуглеводів (за масою) відповідає раціональному харчуванню підлітка?

А 4 : 1 : 1

Б 1 : 4 : 1

В 1 : 1 : 4

Г 1 : 1 : 1

Розв’язання: Раціональне харчування передбачає співвідношення білків, жирів і вуглеводів 1 : 1 : 4. Варіант А (4 : 1 : 1) — переважають білки, що не відповідає потребі. Варіант Б (1 : 4 : 1) — переважають жири. Варіант Г (1 : 1 : 1) — недостатньо вуглеводів.

Відповідь: В.

• Помилка: вважають, що надлишок білків запасається як білок у м’язах. Насправді амінокислоти не запасаються — вони розщеплюються, азот виводиться у складі сечовини, а вуглецевий скелет окиснюється або перетворюється на жири й вуглеводи.

• Помилка: називають сечовину кінцевим продуктом обміну вуглеводів чи жирів. Сечовина утворюється лише з азотовмісних сполук (амінокислот, аміаку). Кінцеві продукти вуглеводів і жирів — лише CO₂ і H₂O.

• Помилка: плутають коефіцієнти енергетичної цінності — множать масу жирів на 17,2 кДж/г, а вуглеводів — на 38,9 кДж/г. Запам’ятай: жири ≈ 38,9 кДж/г, білки й вуглеводи — близько 17,2–17,6 кДж/г; точне значення дано в умові.

• Помилка: вважають основний обмін витратами на фізичну роботу або «вимірюють» його після їди чи уві сні. Основний обмін — це мінімальні витрати в спокої, натщесерце, не спавши.

• Помилка: вважають, що енергетична цінність раціону має бути якомога вищою. Насправді вона має відповідати енерговитратам — надлишок веде до ожиріння, нестача — до виснаження.

• Помилка: вважають прозору воду без запаху безпечною. Мікроорганізмів, нітратів і важких металів не видно неозброєним оком — воду треба перевіряти лабораторно або кип’ятити й фільтрувати.

Тема 4.9 програми НМТ з біології («Обмін речовин і перетворення енергії в організмі людини») вимагає знати значення білків, жирів, вуглеводів, води й мінеральних солей, харчові й енергетичні потреби, складати схеми обміну, порівнювати енергетичне й пластичне значення речовин, аналізувати харчовий раціон, оцінювати якість питної води й збалансованість харчування.

У демоваріанті НМТ-2026 тему 4.9 представляє завдання № 20 — вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г), 1 бал, підтип «два твердження» з розрахунком за таблицею енергетичної цінності 1 г білків, жирів і вуглеводів.

Важливо: довідкових матеріалів з біології на НМТ немає. Числові дані (енергетичну цінність, склад продуктів, енерговитрати) завжди подають в умові завдання. Тож коефіцієнти не запам’ятовуй, а завжди бери з таблиці в умові: у демоваріанті НМТ-2026 (№ 20) це 17,2 кДж для білків, 38,9 кДж для жирів і 17,6 кДж для вуглеводів.

Стратегія для «двох тверджень» з розрахунком: обчисли енергію кожної речовини окремо, запиши проміжні результати, перевір кожне твердження окремо й лише тоді обирай відповідь. Не намагайся оцінити «на око» — помилка в одному множенні коштує бала.

• Кінцеві продукти обміну: білки — CO₂, H₂O, сечовина; жири й вуглеводи — CO₂ і H₂O.

• Надлишок білків не запасається: аміногрупа відщеплюється, аміак перетворюється на сечовину в печінці.

• Енергетична цінність: білки й вуглеводи ≈ 17,2–17,6 кДж/г, жири ≈ 38,9 кДж/г.

• Основний обмін — мінімальні енерговитрати в спокої, лежачи, натщесерце. Загальний обмін = основний + витрати на роботу й травлення.

• Раціональне харчування: білки : жири : вуглеводи = 1 : 1 : 4 за масою, енергія раціону дорівнює енерговитратам.

• Питна вода має бути прозорою, без запаху, без хвороботворних мікроорганізмів, надлишку нітратів і важких металів.

• Обмін речовин регулюють гіпоталамус (центри голоду, спраги) і гормони (інсулін, глюкагон, адреналін, тироксин, гормон росту).