Водно-минеральный обмен – это процессы поступления и распределения ионов воды и минеральных веществ во внутренней среде организма и выделение их в окружающую среду.
Содержание воды в организме взрослого человека составляет 50 – 65 %, у детей – 80 % и более, у 4 – месячного эмбриона – 94 %. Её уровень зависит от пола: в организме мужчин воды больше, чем у женщин. Вода неравномерно распределяется среди отдельных тканей. Около 71 % общего количества воды входит в состав протоплазмы клеток (внутриклеточная вода), около 21 % – в состав тканевой жидкости и около 8 % – в состав плазмы крови. От содержания воды в организме зависит скорость обмена веществ, способность противостоять различным стрессам и текущее функциональное состояние организма в целом.
Потери 10 – 20 % воды организмом вызывают тяжёлые нарушения и приводят к гибели. Полное голодание, при условии потребления необходимого количества воды, переносится человеком до 40 – 45 суток, без воды – всего 5 – 7 суток.
Вода участвует в транспорте питательных веществ к клеткам организма и выделении из организма продуктов обмена с мочой и потом; в поддержании структур и функций клеточных органелл; в биохимических превращениях (гидролиз, гидратация, дегидрирование); в поддержании кислотно-основного равновесия; в поддержании осмотического давления; в механической защите суставов, связок, мышц (в качестве смазки); в процессах терморегуляции (около 50 % тепла выделяется организмом путём испарения воды).
В состоянии покоя в организме поддерживается регулируемый водный баланс – равновесие между потреблением и выделением воды из организма. При обычной температуре в среднем он составляет 2,2 – 2,8 л. Потребность в воде зависит от массы тела, температуры окружающей среды, характера мышечной деятельности и состава пищи. Для взрослого человека суточная потребность в воде составляет 40 мл ´ кг-1, для детей 80 – 100 мл ´ кг-1 массы тела, это объясняется более высокой интенсивностью обмена веществ у ребёнка. Вода всасывается слизистой оболочкой пищеварительного тракта на всём его протяжении, особенно интенсивно в толстом кишечнике. Потери воды организмом в сутки составляют: 1,50 л с мочой, 0,40 – 0,60 л с потом, 0,35 – 0,40 с выдыхаемым воздухом и 0,10 – 0,15 мл через толстую кишку.
Дегидратация способствует, снижению общего объёма и повышению вязкости крови, изменению скорости транспорта веществ. При этом ухудшается кровообращение мозга, мышечной ткани и других органов, снижается их функциональная активность.
Интенсивная мышечная деятельность сопровождается ускорением метаболических процессов, повышением потребления кислорода, каждый литр которого стимулирует образование 3,84 ккал тепла и 1 ккал энергии для механической работы. В условиях длительных нагрузок повышается температура мышечной ткани. Увеличение температуры сердцевины тела до 40 – 41 0С приводит к нарушению деятельности ЦНС. При температуре 41 – 42 0С возникают судороги с потерей сознания, при 42 0С начинается необратимая денатурация клеточного материала.
Тяжёлой гипертермии препятствует охлаждение мышечной ткани циркулирующей кровью, имеющей более низкую температуру. Увеличение скорости циркуляции крови во время нагрузки в 20 – 25 раз способствует быстрому переносу тепла на периферию. Кожа с более низкой температурой образует вторичный температурный градиент, ускоряется тепловой поток от крови к коже, повышается потоотделение. Потери воды могут достигать 2 – 3 л ´ час-1. Испарение 1 л воды с поверхности кожи удаляет из организма 580 ккал тепла. Величина потоотделения зависит от интенсивности работы, температуры окружающей среды и массы тела спортсмена. При дегидратации на уровне 4 – 5 % работоспособность спортсмена падает на 30 %. Результативность выполнения кратковременной мышечной деятельности (спринтерский бег, прыжки, тяжёлая атлетика) практически не зависит от степени дегидратации организма.
Минеральные вещества относятся к незаменимым факторам, поскольку не синтезируются в организме, а поступают только с пищей и водой. Содержание их зависит от функционального состояния организма, возраста, факторов питания и условий внешней среды. В среднем оно составляет 4 – 10 % сухой массы тела. Минеральные вещества в организме содержатся в виде катионов, анионов, солей или входят в состав сложных органических соединений (например, гемоглобин содержит железо). Они составляют основу костной ткани, определяют уровень осмотического давления, участвуют в образовании буферных систем, выполняют роль кофакторов или составных частей ферментов, активируют обмен веществ и энергии, инициируют возникновение электрических потенциалов в клетках, участвуют в процессах возбуждения нервной и мышечной ткани, в процессе свёртывания крови, транспорта кислорода в крови и мышечной ткани.
Кальций является одним из основных структурных компонентов костей, обладает способностью накапливаться в местах повреждений тканей, например в лёгочной ткани при благоприятном течении туберкулёза, чем способствует рубцеванию очагов повреждения. Содержание кальция в организме человека составляет 40 % общего количества минеральных веществ. В цельной крови он составляет около 5,7 мг %, около 1 мг % находится в эритроцитах и 4 – 5 мг % в лейкоцитах. Наиболее физиологически активным является ионизированный кальций. Его ионы активируют фагоцитарную функцию лейкоцитов, повышают иммунитет организма, обеспечивают возбудимость периферической нервной системы, стимулируют деятельность симпатической нервной системы. Важную роль они выполняют в процессе сопряжения возбуждения с сокращением в сердечной и скелетных мышцах, являются кофактором миозиновой АТФ – азы. Кальций участвует в обеспечении деятельности ряда эндокринных желез (гипофиза, надпочечников), желез пищеварительной системы, в процессах свёртывания крови.
Фосфор составляет 22 % от количества всех минеральных веществ и имеет важное значение в процессах обмена веществ. Он широко представлен в организме в свободной форме и в соединении с белками, жирами, углеводами в виде фосфопротеидов, фосфолипидов, мононуклеотидов (АТФ, ГТФ и др.), входит в состав костной ткани, составляет основу фосфатной буферной системы организма.
Осмотическое давление во внеклеточной жидкости поддерживает натрий, баланс которого тесно связан с обменом ионов калия и других элементов. Он обеспечивает кислотно-щелочное равновесие в организме. В почечных канальцах происходит реабсорбция ионов натрия в обмен на секретируемый ион водорода. За счёт этого механизма осуществляется сохранение постоянства рН при интенсивном образовании кислых продуктов и ретенции ионов натрия в организме. Высокая буферная способность почек демонстрируется соотношением концентрации ионов водорода мочи и крови (800: 1).
Калий содержится в основном в клетках органов и тканей. Наиболее высоким его содержанием отличаются эритроциты, мышечные волокна, клетки печени. Он обладает сосудорасширяющим действием. Особенно чувствительны к нему хеморецепторы каротидной области и аорты. Внутриклеточный калий связан с белками, углеводами, фосфатами, креатинфосфатом. Он принимает участие в синтезе ацетилхолина, разрушении холинэстеразы, участвует в поляризации клеточной мембраны, возбуждении клетки.
Обмен ионов калия на ионы натрия через клеточную мембрану является рабочим механизмом процесса возбуждения. Сохранение ионной асимметрии при условии постоянных колебаний в определённых пределах является обязательной предпосылкой нормального функционирования ткани. Постоянство электролитного обмена в организме обеспечивает альдостерон и антидиуретический гормон гипофиза – вазопрессин. Все расстройства солевого обмена неразрывно связаны с обменом внеклеточной и внутриклеточной воды.
Магний – один из составных частей костной ткани, крови, сердца, мышц, печени, почек и других тканей. Он является активатором многих ферментов, участвует в синтезе ацетилхолина, обмене углеводов, белков, липидов способствует ресинтезу АТФ, участует в мышечном сокращении, регуляции сердечной деятельности. Установлена обратная зависимость между смертностью и содержанием магния в сердце и других органах.
Разнообразные функции присущи микроэлементам. железо является составной частью гемоглобина, входит в состав ферментов. Цинк участвует в передаче генетической информации в клетке, синтезе гемоглобина, ферментов, обеспечении роста и нормального иммунологического статуса, процессов заживления ран, развития мозга у плода, стимулирует гормональную функцию поджелудочной железы. Кремний выполняет важные функции в обмене соединительной ткани, содержащей гликозамингликаны, входит в состав коллагена. Йод является структурным компонентом гормонов щитовидной железы: тироксина, трийодтиронина. Марганец принимает участие в синтезе глюкозаминоглюканов, углеводов, липидов, в обмене веществ в головном мозге. Кобальт регулирует обмен железа, содержание липидов в крови, участвует в эритропоэзе, в реакциях обмена веществ, протекающих в сердце, нервной ткани, стенках желудочно-кишечного тракта. Медь участвует в синтезе флавопротеидов – ферментов энергетического обмена, активирует процесс гликолиза.
Минеральный обмен поддерживается на относительно постоянном уровне, хотя может существенно изменяться под влиянием различных факторов окружающей среды и мышечной деятельности. Интенсивная мышечная деятельность сопровождается выбросом минеральных веществ в кровь, перераспределением их между тканями и усиленным выведением из организма с мочой и потом. При мышечной деятельности аэробного характера с потом особенно много теряется натрия, калия и хлора. При анаэробных нагрузках спортсмены теряют много фосфора. Недостаточное содержание минеральных веществ в организме сопровождается снижением физической работоспособности, а иногда и развитием патологических состояний.
Энергетический обмен
Основным условием жизнедеятельности организма является поддержание энергетического баланса – поступления и расхода энергии. Потенциальными источниками энергии являются поступающие в организм белки, жиры и углеводы. Энергия химических связей органических веществ извлекается в процессе их катаболического превращения и используется для синтеза АТФ.
Освобождение энергии в организме в процессе обмена веществ происходит в три фазы:
1 – расщепление молекул сложных химических соединений на более простые (полисахариды до гексоз, белки до аминокислот, липиды – до глицерина и жирных кислот). В результате освобождается ничтожно малое количество энергии.
2 – более глубокое расщепление веществ, образовавшихся в 1 фазе, окисление их до ацетил КоА, a-кетоглютаровой кислоты, ЩУК. Освобождается 1/3 всей энергии.
3 – окисление ацетил КоА, a-кетоглютаровой кислоты и ЩУК в цикле Кребса до СО2 и Н2О. главным поставщиком энергии для реализации физиологических функций организма является цикл Кребса, в котором освобождается 2/3 её потенциального уровня.
Интенсивность энергопродукции организма зависит от количества выделенной энергии (мышечная деятельность, тепло) и от количества запасённой энергии (депонирование питательных веществ, структурные преобразования) в единицу времени. Общее количество выработанной энергии – это сумма внешней работы (мышечная деятельность), тепловых потерь и запасённой энергии.
Расход энергии зависит от возраста, пола, характера и интенсивности работы, времени года, состояния здоровья и других факторов. Общий расход энергии в организме наиболее точно может быть определён по количеству освобождённого тепла, выраженного в ккал. В Международной системе единиц (СИ) энергия (работа, теплота) выражается в килоджоулях (кДж): 1 ккал = 4,184 кДж.
Различают три уровня энергетического обмена: основной обмен, энерготраты в состоянии относительного покоя и энерготраты при различных видах деятельности.
Основной обмен – это количество энергии, которое организм затрачивает для поддержания температуры тела и минимально необходимого для жизни клеток уровня окислительных процессов при условии полного мышечного покоя. Такие органы как мозг, сердце, дыхательная мускулатура, печень и почки, даже в состоянии относительного умственного и физического покоя находятся в активном состоянии.
При измерении интенсивности основного обмена должны соблюдаться следующие стандартные условия, которые приняты с учётом факторов, оказывающих влияние на результаты:
1) утром (интенсивность процессов обмена подвергается суточным колебаниям: утром увеличивается, ночью снижается);
2) в положении лёжа, с расслабленной мускулатурой (в условиях полного физического и психического покоя);
3) натощак (через 12 – 14 часов после последнего приёма пищи, т.к. во время приёма пищи и её последующего переваривания интенсивность процессов обмена повышается – специфическое динамическое действие пищи. Белковая пища должна быть исключена за сутки.);
4) в условиях температурного комфорта 18 – 22 0 С (если температура окружающей среды отклоняется от комфортной интенсивность обмена веществ возрастает: при охлаждении обмен усиливается более интенсивно, чем при повышении температуры).
В качестве среднего значения стандартной интенсивности основного обмена у взрослого человека принята величина, равная 1 ккал ´ кг-1´ час-1. Для мужчины среднего возраста, имеющего длину тела 170 см, массу тела 70 кг, соответствующий показатель основного обмена составляет 1700 ккал. В расчёте на 24 часа каждый орган из величины основного обмена расходует определённое количество энергии: сердце 75, почки 75, печень 300, скелетные мышцы 1300 – 1400 ккал. У женщин такой же массы основной обмен примерно на 10 % ниже. У детей он значительно выше, чем у взрослых. Самый высокий уровень основного обмена наблюдается у детей 2 – х лет (до 2 ккал´ кг-1´ час-1) Во время сна уровень окислительных процессов и, соответственно, энерготраты организма на 8 – 10 % ниже.
Энерготраты в состоянии относительного покояи в условиях малоактивного образа жизни превышают значения основного обмена. Это обусловлено процессами терморегуляции вне зоны комфорта, специфическим динамическим действием пищи, энерготратами на поддержание позы тела человека.
Энерготраты при различных видах деятельностиопределяются характером деятельности человека, а суточные энерготраты суммируют величину основного обмена и расход энергии для обеспечения конкретного вида деятельности.
При умственной деятельности интенсивность обмена веществ увеличивается на 2 – 3 % относительно полного покоя. Это обусловлено, рефлекторным увеличением мышечного тонуса. Если умственная работа сопровождается мышечной деятельностью при эмоциональном возбуждении (например чтение лекций) энерготраты значительно увеличиваются. Пережитое эмоциональное возбуждение может вызвать в течение нескольких последующих дней повышение обмена на 11 – 19 %.
При сокращении мышц около 20 – 25 % освободившейся в организме энергии переходит в механическую работу, а большая её часть выделяется в виде тепла. Часть энергии используется на осуществление эндотермических реакций синтеза сложных веществ из более простых (например гликогена из молочной кислоты). Эта энергия сохраняется в организме в виде возросшего запаса потенциальной энергии. При определении общей величины энергетических затрат её не учитывают.
Количество выделенного организмом тепла является точной мерой всего энергетического расхода организма. Измерение интенсивности энергетического обмена в организме называется калориметрией. Интенсивность обмена энергии определяется методами прямой и непрямой калориметрии.
Прямая калориметрия основана на непосредственном определении продукции тепла. Производится с применением специальной герметически закрытой камеры (калориметра), изолированной от внешней среды. По количеству тепла, освобождаемого человеком, определяют величину энергии, отдаваемой телом человека. Метод прямой калориметрии наиболее точный. Проведение прямой калориметрии возможно в лабораторных условиях и при ограниченном количестве видов деятельности. Этот метод требует специального оборудования, длительных наблюдений и не приемлем для изучения энерготрат в динамике при выполнении спортивной деятельности.
Непрямая калориметрия основана на изучении газообмена с использованием различных газоанализаторов. Определяют величину количества потребляемого организмом кислорода и выдыхаемого углекислого газа. Установлено, что каждому утилизированному литру кислорода соответствует эквивалентное количество энергии, которое называется калорическим эквивалентом кислорода. Величина его зависит от природы окисляемого субстрата. При окислении углеводов калорический эквивалент равен 5,05 ккал, жиров – 4,7 ккал, белков – 4,9 ккал.
Обычно в организме окисляется смесь питательных веществ, поэтому важно знать в каком соотношении используются энергетические субстраты. Это можно определить по дыхательному коэффициенту (ДК) или коэффициенту газообмена. ДК – это отношение объёма выделяемой углекислоты (V СО2) к объёму поглощаемого кислорода (V О2) в единицу времени. При окислении глюкозы он равен 1,0. При окислении жиров на один атом углерода приходится меньше атомов кислорода, их окисление характеризуется более низким значением ДК – 0,7. Для белков КК составляет – 0,81.
На величину ДК влияет гипервентиляция, которую может вызвать произвольная активность, нереспираторный ацидоз, психологический стресс и искусственное дыхание, когда минутный объём вентиляции превышает требуемый уровень. При перенасыщении организма углеводами количество поглощаемого кислорода снижается и ДК увеличивается, достигая 1,38 – 1,59. В период голодания и при диабете он может падать до 0,6.
В условиях интенсивной мышечной деятельности величина ДК может превышать 1,0. Это связано с участием в энергообеспечении анаэробных механизмов энергопродукции. Образующаяся в процессе анаэробного гликолиза молочная кислота нейтрализуется бикарбонатной буферной системой, в результате выделяется неметаболический излишек углекислого газа (Exc CO2), который способствует повышению ДК. В этом случае для вычисления расхода энергии пользуются калорическим эквивалентом, соответствующим дыхательному эквиваленту 1,0.
Расход энергии в ккал равен произведению величины потребления кислорода на калорический коэффициент, соответствующий найденному значению дК.
Существует метод непрямой калориметрии – алиментарная калориметрия. При этом учитывают энергетическую ценность (калорийность) принимаемой пищи и массу тела человека. постоянство массы тела свидетельствует о балансе поступления в организм энергетических ресурсов и их использования. Использование соответствующего метода не всегда надёжно в плане получения достоверных результатов. Он не позволяет определить энерготраты за короткие промежутки времени.