Белковый обмен служит в первую очередь для поддержания и изменения структуры организма (структурный метаболизм), обмен липидов и углеводов служит главным образом для обеспечения физиологических функций (функциональный метаболизм).
Белки состоят из аминокислот и являются основным пластическим материалом для построения клеток и тканей организма. Они обеспечивают ряд важнейших функций: сократительную (актин, миозин), опорную (коллаген, эластин), каталитическую (специфические белки – ферменты), регуляторную (белки – гормоны: инсулин, глюкагон), транспортную (гемоглобин, липопротеиды), защитную (фибриноген, белки иммунной системы), обеспечивают функциональное состояние «аппарата наследственности» (белки хромосом), являются источником энергии (при окислении 1 г белка выделяется 4,1 ккал энергии).
Содержание белков в организме человека колеблется в пределах 60 – 80 % в сухом остатке тканей. Около 30 % белков человеческого тела находится в мышцах, около 20 % в костях и сухожилиях, около 10 % в коже. Обновление белков в живом организме – непрерывный процесс. Период их жизни колеблется от нескольких минут до нескольких суток. В организме взрослого человека ежедневно расщепляется до аминокислот 300 – 400 г белка. Примерно такое количество аминокислот участвует в белковом биосинтезе. Высокий оборот белка необходим по причине недолговечности многих из них. Они начинают обновляться через несколько часов после синтеза, а биохимический полупериод составляет 2 – 8 дней. Наиболее короткоживущими являются ключевые ферменты промежуточного обмена, обновляющиеся спустя несколько часов после синтеза. Особенно долговечны структурные белки, гистоны, гемоглобин и компоненты цитоскелета.
Организм человека в нормальных условиях (когда нет необходимости пополнения дефицита аминокислот за счёт распада сывороточных и клеточных белков) практически лишён резервов белка. Мобилизуемый резерв составляет 45 г, в том числе 40 г в мышцах, 5 г в крови и печени. В организме человека ежедневно синтезируется 25 г белков печени, 20 г белков плазмы, 8 г гемоглобина. Необходимым условием белкового обмена является пополнение фонда аминокислот, из которых синтезируются белки организма, за счёт постоянного притока белка с пищей. Белок должен быть полноценным и содержать все незаменимые аминокислоты, которые в организме человека не синтезируются. К незаменимым аминокислотам относятся: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.
При введении непосредственно в кровь белка, минуя пищеварительный тракт, он не используется организмом человека и вызывает ряд серьёзных осложнений, в том числе резкое повышение температуры тела. При повторном введении через 15 – 20 дней может наступить даже смерть при параличе дыхания, резком нарушении сердечной деятельности.
Большую роль в обмене белков играет азот, обязательная составная часть белков и продуктов их расщепления. В связи с этим о состоянии обмена белков в организме судят по соотношению количества азота, поступившего в организм, и выведенного из организма, т. е. по азотистому балансу. Если это соотношение равно 1, то состояние называется азотистым равновесие. Оно характерно для взрослого здорового организма в обычных условиях. Азотистый баланс зависит не только от количества потребляемых белков, возраста и физиологического состояния организма, но и от аминокислотного состава белков пищи, который должен быть сбалансирован. Состояние, при котором поступление азота превышает уровень его выведения, называется положительным азотистым балансом, который характерен для растущего организма, беременных, для спортсменов в период развития качества силы, когда синтез белка преобладает над его распадом. Отрицательным азотистым балансом называется состояние, при котором усваивается азота меньше, чем выводится из организма. Такое состояние наблюдается при полном или частичном белковом голодании, при нарушениях нейроэндокринной регуляции белкового обмена, а также если в организм не поступают отдельные незаменимые аминокислоты, необходимые для синтеза белков.
В условиях белкового голодания на фоне достаточного поступлении в организм жиров, углеводов, минеральных элементов, витаминов и воды происходит постепенно нарастающая потеря массы тела, поскольку затраты тканевых белков не компенсируются поступлением белков пищи. Длительное и полное белковое голодание неизбежно приводит к смерти.
Для обеспечения нормальной жизнедеятельности организма необходимо поддерживать азотистое равновесие или положительный азотистый баланс. При этом для взрослого человека суточная потребность в белке составляет 70 – 100 г, при интенсивной мышечной деятельности это количество достигает 150 – 180 г в сутки.
Белковый обмен – существенная часть обмена веществ, т.к. превращения аминокислот тесно связаны с обменом других азотистых соединений. Значительное их количество участвует в синтезе функционально активных белков организма (ферменты, антитела и т.п.), пластических, структурных и других. Часть аминокислот используется для образования ряда низкомолекулярных гормонов, биологически активных пептидов, аминов, пигментов и других соединений, необходимых для жизнедеятельности. Так гормоны щитовидной железы – тироксин и его производные, и гормоны надпочечника – адреналин и норадреналин – образуются из аминокислоты тирозина. Триптофан служит источником образования биогенных аминов, никотиновой кислоты и её производных. Для биосинтеза пуриновых оснований используется аминокислота глицин, аспарагиновая кислота идёт для образования пиримидиновых оснований. Глицин является источником синтеза пигментной группировки гемоглобина. Продуктами соединения или превращения аминокислот является и ряд других веществ, выполняющих различные функции в организме (глутатион, карнозин, карнитин, креатин и др.).
Белки участвуют в обеспечении сократительной функции скелетных мышц и сердца, создании определённого их композиционного состава, формировании долговременной адаптации к длительным физическим нагрузкам. В энергетику мышечной деятельности белки вносят незначительный вклад и обеспечивают всего 10 – 15 % энергопотребления длительной работы, используя при этом аминокислоты – продукты распада эндогенных белков. Эти аминокислоты подвергаются окислению, восполняя АТФ, или вовлекаются в процесс глюконеогенеза, способствуя поддержанию уровня глюкозы в крови и гликогена в скелетных мышцах и печени. В процессе окислительного дезаминирования аминокислот, кроме АТФ, образуются конечные продукты: двуокись углерода, вода и азот, отщепляемый в виде аммиака.
Свободный аммиак обладает токсичным действием, особенно для мозга. Токсичность его связана с возможным локальным смещением рН в отдельных частях клетки или изменением заряда на клеточной мембране. Основной механизм обезвреживания аммиака является процесс синтеза мочевины в орнитиновым цикле. Мочевина – основной конечный продукт обмена белков и других азотсодержащих соединений. С мочевиной выводится около 10 – 18 г общего азота организма человека, тогда как с аминокислотами – до 1,15 г, аммонийными солями – до 1 г, креатином – до 0,8 г, мочевой кислотой – до 0,2 г. Мочевина выводится из организма с мочой и потом.
Нормальный уровень содержания мочевины в крови у взрослого человека индивидуален и составляет 3,5 – 6,5 ммоль´л-1 (20 – 30 мг %). По изменению её содержания в крови диагностируют скорость распада тканевых белков. В спортивной практике показатель концентрации мочевины в крови широко используется для биохимической оценки отставленного тренировочного эффекта и процессов восстановления после интенсивной мышечной деятельности.
Липиды в организме представлены нейтральными жирами, фосфолипидами и стеринами, общее количество их может достигать 10 – 20 %, при ожирении 30 – 50 % от массы тела. Содержание резервного жира варьирует в широких пределах в зависимости от характера питания, двигательной активности, возраста, пола, конституционных особенностей. Количество структурных липидов постоянно, не зависит от характера питания и других факторов и не изменяется при полном голодании.
В организме человека жиры выполняют ряд физиологических функций. Важнейшими из них являются: э нергетическая (при расщеплении 1 г жира освобождается 9,3 ккал энергии), в форме триглицеридов энергия запасается на несколько месяцев; структурная (в качестве структурных компонентов клеточных мембран фосфолипиды участвуют во всех мембранных процессах, обеспечивают функциональную активность нервной ткани и мышц); регуляторная (стероидные гормоны и простагландины, образующиеся из полиненасыщенных высших жирных кислот, регулируют обменные процессы); терморегуляторная (предохраняют организм от переохлаждения); защитная (кожным покровам придают эластичность и бактерицидные свойства, предохраняют внутренние органы, нервные окончания и кровеносные сосуды от сдавливания и механических повреждений). Жиры являются растворителем многих органических соединений, в том числе витаминов А, Д, Е, К, что обеспечивает транспорт их в биологических жидкостях, проникновение через стенки сосудов и мембраны клеток.
Важная физиологическая роль принадлежит стеринам, в частности, холестерин – вещество, содержащееся во всех тканях, является незаменимым структурным компонентом клеточных мембран, участвует в синтезе витамина Д (кальциферола), является предшественником кортикостероидов, половых гормонов, желчных кислот, выполняет транспортную функцию в составе липопротеидов. В организме человека содержится 140 – 190 г холестерина и ежедневно образуется около 2 г. Избыток холестерина в пище способствует развитию атеросклероза, а также нарушению функции печени. Ненасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая) затрудняют всасывание холестерина в кишечнике, способствуя уменьшению его в организме. Насыщенные жирные кислоты (пальмитиновая, стеариновая) являются основным источником его образования.
Организм получает липиды с пищей в основном в виде нейтральных жиров, которые расщепляются в кишечнике до глицерина, моноацилглицерина и жирных кислот. Взрослому человеку требуется 70 – 80 г (спортсменам – до 145 г) жира в сутки, в том числе 15 г ненасыщенных жирных кислот и 10 г фосфолипидов. Важную роль в процессе превращения жиров в тонком кишечнике играют желчные кислоты, которые способствуют процессу эмульгирования, активируют фермент липазу и участвуют в транспорте продуктов гидролиза жира. В клетках стенки тонкого кишечника продукты гидролиза жира превращаются в нейтральный жир, специфичный для данного организма. В виде липопротеидов он всасывается в лимфу и в небольшом количестве (около 30 %) попадает непосредственно в кровь. Видовая специфичность жиров в организме определяется химическим составом и физико-химическими свойствами пищевых жиров. По составу жир имеет отличия в разных органах одного и того же организма. В крови с участием a- и β- глобулинов осуществляется транспорт жиров в ткани, где они используются в виде пластического материала и в качестве источника энергии, участвуют в обновлении депонированных жиров в жировой ткани.
Жир синтезируется в организме также из углеводов и белков. При полном исключении жира из пищи, на фоне высокого содержания углеводов, он будет синтезироваться, и в значительном количестве может откладываться в запас.
В качестве энергетического материала жиры используются главным образом в состоянии покоя и при длительной работе умеренной мощности. Степень участия жиров в энергообеспечении мышечной деятельности зависит от её интенсивности, длительности, вовлечения в процессы сокращения различных типов мышечных волокон и уровня тренированности спортсменов. Около 80 % всей энергии при мышечной деятельности аэробного характера обеспечивается за счёт окисления жира. Конечными продуктами полного окисления жира являются вода и углекислый газ.
Интенсивность участия липидов в энергетическом обмене после выполнения физической нагрузки у спортсменов определяют по изменению содержания кетоновых тел в крови и моче. К кетоновым телам относят ацетоуксусную кислоту, β- гидроксимасляную кислоту и ацетон. Уровень кетоновых тел в крови в норме составляет 1 ммоль ´л-1. После мышечной деятельности аэробного характера он может достигать 20 ммоль ´л-1. Такое состояние называется кетонемия. Образуются кетоновые тела в печени. Сама печень не использует кетоновые тела в качестве источника энергии, в то время как в сердце они обеспечивают около 30 % энергетических потребностей, в скелетных мышцах – менее 2%.
Углеводы составляют в организме человека менее 2 % от сухого остатка массы тела. Основная часть их сосредоточена в печени в виде гликогена в количестве 5 – 10 %, в скелетных мышцах – до 3 %, в сердечной мышце около 0,5 %, в головном мозге – 0,2 %.
Углеводы представляют собой важнейший источник энергии, при окислении 1 г углеводов освобождается 4,1 ккал энергии. Особо важное значение углеводы имеют для обеспечения нормальной деятельности нервной системы. Пластическая функция углеводов заключается в том, что они используются для построения нуклеотидов (АТФ, АДФ и др.), нуклеиновых кислот, некоторых ферментов, гетерополисахаридов и сложных белков хрящевой и других тканей, входят в состав слизистой оболочки, являются компонентами клеточных мембран. Защитную функцию выполняют углеводы, участвующие в образовании компонентов иммунной системы. Отдельные углеводы обладают специфическим действием, обеспечивая специфичность групп крови, выполняя роль антикоагулянтов, являясь рецепторами ряда гормонов или фармакологических веществ, оказывая противоопухолевое действие.
Углеводы поступают в организм человека в основном с растительной пищей в количестве 400 – 700 г. Для спортсменов, в условиях «углеводного насыщения», количество их может достигать 1,5 кг в сутки. В процессе пищеварения сложные углеводы расщепляются с образованием моносахаридов: глюкозы, фруктозы, галактозы. Они всасываются в кровь и через воротную вену поступают в печень, где фруктоза и галактоза превращаются в глюкозу.
Использование глюкозы разными органами из притекающей крови не одинаково: мозг задерживает 12 % глюкозы, кишечник – 9 %, мышцы – 7 %, почки – 5 %.
Концентрация глюкозы в крови взрослого человека в норме составляет 4,4 – 6,0 ммоль ´л-1. Глюкостатическую функцию в плане поддержания нормогликемии выполняет печень. Она может поглощать или выделять глюкозу в кровь в зависимости от её концентрации в крови и в ответ на воздействие гормонов.
В экстремальных условиях уровень глюкозы может превышать верхнюю границу нормы (7 ммоль ´л-1 и более), что характеризует состояние гипергликемии. Она может возникать при повышенном содержании углеводов в пище (алиментарная гипергликемия), эмоциональном возбуждении, снижении использования глюкозы тканями (сахарный диабет). В спортивной практике состояние гипергликемии у некоторых спортсменов развивается во время выполнения нагрузки субмаксимальной мощности (рабочая гипергликемия) и в предстартовом состоянии. Это способствует улучшению результатов при выполнении кратковременных нагрузок, но снижает эффективность длительной работы. При повышении глюкозы до 8,8 ммоль ´л-1 (почечный барьер), она выделяется с мочой (состояние глюкозурии).
Состояние гипогликемии возникает при снижении уровня глюкозы в крови до 3 ммоль ´л-1 и ниже. Может развиваться при голодании и в результате напряжённой длительной физической работы без дополнительного приёма углеводов (марафонский бег). На фоне состояния гипогликемии резко снижается физическая работоспособность. Глюкоза является главным энергетическим субстратом для деятельности мозга, эритроцитов, почек. Уменьшение её концентрации в крови до 2 ммоль ´л-1 вызывает потерю сознания, гипогликемический шок и смерть.
Метаболизм углеводов включает процессы синтеза и расщепления гликогена в скелетных мышцах и в печени, окисление глюкозы с высвобождением энергии и синтез глюкозы из веществ неуглеводной природы, таких как белки и углеводы (глюконеогенез). Глюконеогенез протекает в печени и имеет существенное значение при мышечной деятельности, поскольку способствует предотвращению резкого снижения запасов гликогена в мышцах и уровня глюкозы в крови.
Степень использования углеводов в качестве источника энергии зависит от характера выполняемой работы, уровня тренированности, питания, половых особенностей и метаболического состояния организма. Гликоген мышц и глюкоза крови являются важнейшими субстратами для ресинтеза АТФ при нагрузках субмаксимальной и большой мощности. Скорость мобилизации гликогена зависит от интенсивности физической нагрузки. При выполнении нагрузки на уровне 30 % МПК в течение двух часов запасы гликогена истощаются в широкой мышце голени на 20 – 30 %, в то время как при более интенсивной работе (60 % МПК) – на 80 %. При нагрузке мощностью 60 % МПК используется около 80 % глюкозы крови. Мобилизация гликогена печени усиливается в 2 – 3 раза при мышечной деятельности умеренной мощности и в 7 – 10 раз при интенсивной работе. В таких условиях запас гликогена в печени уже через 1 – 2 часа существенно уменьшается, что приводит к снижению уровня глюкозы в крови и повышению интенсивности глюконеогенеза, играющего важную роль в поддержании нормогликемии.
Расщепление углеводов в организме человека осуществляется в анаэробных условиях до образования молочной кислоты, в аэробных – до конечных продуктов обмена веществ, углекислого газа и воды.
Показатель концентрации молочной кислоты в крови широко используется в биохимическом контроле функционального состояния спортсмена. В норме её концентрация составляет 1 – 2 ммоль ´л-1, а после работы субмаксимальной мощности может достигать 32 ммоль ´л-1, что способствует развитию декомпенсированного ацидоза.