Биохимические основы питания

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ И ПИТАНИЕ

Питание является основой жизнедеятельности, обязательным условием нормального роста и развития организма, высокой трудоспособности и профилактики заболеваний. Высокие физические и эмоциональные нагрузки, свойственные современному спорту, предъявляют особые требования к питанию спортсменов. Только в условиях правильно организованного полноценного питания возможно повышение эффективности тренировочного процесса и рост спортивной работоспособности

Биохимические основы питания

С биологической точки зрения питание преследует следующие цели:

· Обеспечение организма источниками энергии

(энергетическая функция). Главными пищевыми источниками энергии являются углеводы и жиры.

· Обеспечение организма строительным материалом для различных синтезов (пластическая функция). Таким материалом, в первую очередь, являются аминокислоты и полиненасыщенные жирные кислоты (содержащие в молекуле две и более двойных связей)

· Обеспечение организма витаминами и минеральными веществами

· Обеспечение организма водой

Под питанием обычно понимается поступление пищи в организм, расщепление пищевых веществ (переваривание) и последующее всасывание продуктов переваривания.

Переваривание пищевых веществ происходит путем гидролиза под действием ферментов пищеварительных соков (слюны, желудочного, поджелудочного и кишечного соков). Как уже отмечалось, в процессе переваривания пищевые вещества, в основном, высокомолекулярные и для организма чужеродные, под действием пищеварительных ферментов расщепляются и превращаются в конечном итоге в простые соединения, одинаковые для всех живых организмов. Так, например, любые пищевые белки распадаются на аминокислоты 20 видов, точно такие, как и аминокислоты самого организма. Из углеводов пищи образуется универсальный моносахарид - глюкоза. Поэтому конечные продукты пищеварения могут вводиться во внутреннюю среду организма и использоваться клетками для разнообразных целей.

Всасывание продуктов переваривания осуществляется клетками кишечного эпителия и является активным процессом, протекающим с использованием энергии АТФ, причем для всасывания продуктов расщепления жира необходимы желчные кислоты, которые вырабатываются в печени и выделяются в полость кишечника в составе желчи.

Пищевой рацион (суточное поступление в организм пищевых веществ) должен содержать все необходимые для организма химические вещества. На основании многовековых традиций и многочисленных научных исследований сформулированы основные требования к количественному и качественному составу пищевого рациона, так называемые «принципы рационального питания». Главными из них являются следующие:

· Энергетическая ценность пищевого рациона, по возможности, должна соответствовать энерготратам организма.

· Пищевой рацион должен быть сбалансирован по важнейшим пищевым компонентам, т.е. должен содержать белки, жиры и углеводы в строго определенной пропорции.

·Пищевой рацион должен содержать адекватное количество витаминов и минеральных веществ.

· Пищевой рацион должен содержать «балластные вещества».

· Должен соблюдаться режим питания.

Энергетическая ценность питания оценивается количеством энергии, которое может быть получено при окислении пищевых углеводов, жиров и белков до конечных продуктов (CO₂, H₂O, NH₃). Поскольку выделяющаяся при окислении энергия измеряется часто в килокалориях, то энергетическую ценность рациона еще называют калорийностью питания.

Калорийность пищевого рациона может быть определена с помощью прибора - калориметра, который регистрирует тепловую энергию, выделяющуюся при сжигании порции пищи. Другой, более простой способ расчета энергетической ценности питания заключается в использовании специальных таблиц, в которых приводится содержание белков, жиров и углеводов в пищевых продуктах. Исходя из того, что 1 г углеводов и белков при окислении выделяют примерно 4 ккал, а 1 г жира - около 9 ккал энергии, находят калорийность рациона в ккал/сутки (для перевода значения калорийности в кДж/сутки полученную величину в ккал/сутки необходимо умножить на 4,18). Калорийность основных продуктов питания и содержание в них белков, жиров и углеводов приведены в приложении 1.

Энерготраты зависят от многих факторов: возраста, массы тела, профессии, климатических условий и особенно от двигательной активности.

В состоянии покоя, натощак (для исключения затраты энергии на мышечную деятельность и процесс пищеварения) организм расходует минимальное количество энергии, необходимое для поддержания основных физиологических функций и анаболических процессов. Эта величина называется основным обменом и составляет у мужчин в среднем 24-28 ккал/сутки · кг массы тела (1600-1800 ккал/сутки), у женщин несколько ниже - 23-26 ккал/сутки · кг (1400-1500 ккал/сутки). У детей величина основного обмена при расчете на кг массы тела примерно в 1,5 раза выше, чем у взрослых. В процессе старения уровень основного обмена уменьшается.

Очевидно, что реальные энерготраты должны быть выше значения основного обмена. У людей умственного труда суточные затраты энергии составляют 2200-2500 ккал у мужчин и 1800-2200 у женщин. При тяжелом физическом труде (за счет мышечной работы!) энерготраты существенно возрастают: у мужчин до 5000 ккал/сутки, а у женщин до 4000 ккал/сутки. У спортсменов энерготраты в зависимости от вида спорта, а также от периода тренировочного цикла колеблются в диапазоне от 3000 до 7000 ккал/сутки.

Энергозатраты можно определить путем прямой калориметрии, т.е. измерить суточное выделение организмом тепла (как известно, в процессе катаболизма значительная часть освобождающейся энергии выделяется в виде тепла). Однако это весьма сложная процедура. В связи с этим чаще применяются методы непрямой калориметрии, основанные на измерении потребления кислорода или выделения углекислого газа, поскольку эти показатели характеризуют состояние катаболизма.

К непрямой калориметрии также относится метод суточной пульсометрии, заключающийся в измерении и регистрации частоты сердечных сокращений в течение суток. Этот метод базируется на корреляции между потреблением кислорода за сутки, характеризующим освобождение энергии в процессе катаболизма, и средней величиной пульса. Для подсчета и регистрации пульса применяется портативный прибор - спорттестер, состоящий из прикрепленного к груди испытуемого датчика и приемника, похожего на наручные часы и надеваемого на запястье руки. Датчик фиксирует сердечные сокращения, в приемнике информация, поступающая из датчика, регистрируется на магнитной дискете.

Косвенно суточные энергозатраты можно установить путем заполнения анкет, в которых испытуемые подробно описывают всё, что они делали в течение дня. Затем с помощью специальных таблиц, в которых приведены значения энерготрат при различных видах трудовой и спортивной деятельности, проводят расчет суточных энерготрат.

Соответствие энергетической ценности пищевого рациона затратам энергии спортсменом является одним из важнейших условий эффективности тренировочного процесса.

Употребление питания с пониженной калорийностью сопровождается расходованием не только всех резервных углеводов и жиров, но и приводит к использованию в качестве источников энергии белков и, в первую очередь, мышечных. В результате развивается атрофия мышц и анемия, уменьшается масса тела, снижается физическая работоспособность, а у детей наблюдается задержка роста.

При продолжительном поступлении в организм пищевых источников энергии в количествах, превышающих энерготраты, возникает ожирение, причем в жировых депо откладывается не только поступающий с пищей жир, но и жир, образующийся из углеводов.

Поэтому самым простым способом контроля за соответствием калорийности пищевого рациона и суточных энергозатрат является измерение массы тела. При длительном использовании рациона с пониженной калорийностью (по сравнению с энерготратами) наблюдается уменьшение массы тела, а при чрезмерном поступлении в организм источников энергии масса тела увеличивается, в основном, за счет накопления жира.

Сбалансированность питания касается прежде всего соотношения между содержанием в рационе белков, жиров и углеводов.

Пищевые белки являются поставщиками аминокислот, которые необходимы для синтеза белков и других азотсодержащих соединений организма (например, азотистых оснований нуклеиновых кислот, креатина, адреналина и др.). Особенно важно поступление с пищей незаменимых (эссенциальных) аминокислот, которые не синтезируются в организме. Эти аминокислоты должны регулярно поступать с пищей, так как они в организме не накапливаются. При избыточном поступлении неиспользованные для синтеза белков аминокислоты и, в том числе, незаменимые подвергаются распаду.

Содержание белков и незаменимых аминокислот показано в приложении 1.

Суточная потребность в белке зависит от многих факторов (масса тела, возраст, профессия и условия труда, климатические условия и др.) и составляет в среднем для взрослого человека 100-120 г.

Значительное влияние на норму белка в питании оказывают двигательная активность и биологическая ценность пищевых белков.

Считается, что потребность в белке при выполнении физической работы увеличивается на 10 г на каждые 500 ккал энергозатрат.

Биологическая ценность белков определяется, прежде всего, их аминокислотным составом. Пищевые белки должны содержать все незаменимые аминокислоты, причем желательно в том же соотношении, которое характерно для белков человека. Соотношение между незаменимыми аминокислотами в пищевых белках животного происхождения по сравнению с растительными ближе к соотношению в органах и тканях человека. Отсюда следует, что животные белки обладают большей биологической ценностью, чем белки растительные. Однако из этого правила есть исключение: белки овса и гречи по своему аминокислотному составу похожи на белки человека и поэтому могут заменять в рационе животные белки.

Считается, что в суточном рационе животных белков должно быть не менее 50 % от содержания всех белков.

Биологическая ценность пищевых белков зависит также от возможности их расщепления протеолитическими ферментами в процессе пищеварения. Плохо перевариваются белки связок, сухожилий, соединительной ткани, некоторые растительные белки.

Наиболее высокой биологической ценностью обладают молочные и яичные белки.

Недостаточное поступление пищевых белков (белковое голодание) постепенно ведет к нарушению многих функций организма, уменьшению массы тела, снижению работоспособности. Особенно опасно белковое голодание для растущего организма, так как в основе роста лежит накопление белков.

При избыточном потреблении белков пищеварительные ферменты оказываются не в состоянии их полностью расщепить. Непереваренные белки попадают в толстую кишку и под действием микрофлоры подвергаются там гниению, в ходе которого образуются различные ядовитые вещества. В тканях организма избыток аминокислот распадается с выделением аммиака, что создает дополнительную нагрузку на печень, в которой осуществляется обезвреживание аммиака путем синтеза мочевины. Кроме этого при распаде аминокислот возможно накопление недоокисленных продуктов, в основном, органических кислот, что вызывает сдвиг кислотно-щелочного баланса в кислую сторону.

Еще одним обязательным компонентом сбалансированного пищевого рациона являются жиры. Их роль как пищевого продукта многообразна. Жир является важным источником энергии, превосходящим по калорийности белки и углеводы. Так, при окислении 1 г жира выделяется примерно 9 ккал энергии, тогда как при окислении такого же количества белков или углеводов освобождается только около 4 ккал. Однако окисление жиров протекает исключительно аэробным путем и может обеспечить энергией только умеренные нагрузки. Поэтому роль жира как источника энергии особенно велика при выполнении продолжительной физической работы.

Кроме энергетической функции жиры еще выполняют пластическую функцию, являясь поставщиками полиненасыщенных (эссенциальных) жирных кислот. Такие жирные кислоты содержат в своей молекуле две и более двойных связей и в организме человека не синтезируются. Полиненасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая, арахидоновая и пр.) необходимы для синтеза липоидов клеточных мембран и для образования гормоноподобных веществ - простагландинов, регулирующих в организме тонус гладкой мускулатуры (стенки кровеносных сосудов, трахеи и бронхов, кишечника, матки и т.д.). Полиненасыщенные жирные кислоты обычно входят в состав растительных жиров. Потребность взрослого человека в полиненасыщенных жирных кислотах может быть обеспечена ежедневным поступлением с пищей 20-30 мл растительного масла.

Содержание жиров и полиненасыщенных жирных кислот в основных продуктах питания представлено в приложении 1.

Пищевые жиры также являются поставщиками жирорастворимых витаминов, которые могут накапливаться в жирах. Так, рыбий жир богат витаминами А и D, а растительные жиры содержат витамин Е.

Суточный рацион взрослого человека должен содержать 80-100 г жиров, что составляет 30-35 % от его калорийности.

Употребление избыточного количества жира со временем приводит к ожирению.

Пищевые углеводы являются основными источниками энергии, они обеспечивают 55-60 % суточной потребности организма в энергии. Особая роль углеводов как источников энергии обусловлена тем, что они могут расщепляться в организме как аэробно, так и анаэробно, тогда как окисление белков и жиров происходит лишь аэробным способом. Как известно, при анаэробном распаде углеводов энергии в единицу времени выделяется в два раза больше, чем при аэробном окислении любых веществ. В связи с этим физические нагрузки высокой мощности, требующие больших энергозатрат в единицу времени, обеспечиваются, в первую очередь, углеводами.

Главным пищевым углеводом является крахмал, содержание которого в пищевом рационе может доходить до 80 % от общего количества всех углеводов. Богаты крахмалом крупы, макароны, хлеб, картофель, овощи и другие растительные продукты питания.

Кроме крахмала с пищей могут поступать и другие углеводы растительного происхождения: клетчатка (целлюлоза) и сахароза (пищевой сахар).

Моносахариды глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар) обычно присутствуют в различных ягодах, фруктах и меде.

Из углеводов животного происхождения с пищей поступают гликоген и лактоза (молочный сахар). Гликоген содержится в мясе и в печени, а лактоза - в молочных продуктах.

Содержание углеводов в основных продуктах питания дано в приложении 1.

Средняя суточная потребность организма в углеводах 400 - 500 г.

При пониженном поступлении углеводов с пищей в организме ускоряется использование жиров и белков в качестве источников энергии. Усиленный распад внутриклеточных белков может привести к снижению их содержания в клетках и появлению симптомов «белкового голодания» (см. выше). Кроме этого окисление белков сопровождается повышенным выделением аммиака. При окислении жиров в качестве промежуточных продуктов образуются кетоновые тела, накопление которых вызывает ацидоз - смещение кислотно-щелочного равновесия в кислую сторону.

Длительное чрезмерное потребление углеводов приводит к нарушениям обмена веществ и возникновению заболеваний. Это связано со способностью углеводов легко преобразовываться в жиры и холестерин. Поэтому при избыточном углеводном питании, особенно на фоне малоподвижного образа жизни, нередко развиваются такие заболевания как ожирение и атеросклероз.

Согласно рекомендациям ведущих диетологов соотношение между белками, жирами и углеводами в суточном рационе должно быть 1: 1: 4, т.е. на каждый грамм белков должен приходиться 1 г жиров и 4 г углеводов.

С продуктами питания должны также поступать витамины в необходимых для организма количествах.

Витамины - это низкомолекулярные органические вещества самого разнообразного строения, которые не синтезируются в организме, но являются жизненно необходимыми и поэтому должны обязательно поступать в организм с пищей, хотя и в очень небольших количествах. Некоторые витамины в ограниченном количестве вырабатываются микрофлорой кишечника.

Биологическая роль большинства известных витаминов заключается в том, что они входят в состав коферментов и простетических групп ферментов и, следовательно, используются организмом как строительный материал при синтезе соответствующих небелковых частей ферментов.

По физико-химическим свойствам витамины делятся на две группы: водорастворимые (В₁, В_2, В₃,, В₆,, В₉, В₁₂, В_с,, С, Р, РР) и жирорастворимые (А, D, Е, К).

Кроме витаминов пища может также содержать провитамины. Провитамины являются предшественниками витаминов. Попадая в организм, провитамины превращаются в витамины.

Потребность в витаминах, прежде всего, зависит от массы тела, возраста, двигательной активности. Биологическая роль отдельных витаминов, средняя суточная потребность в них и основные пищевые источники витаминов представлены в приложении 2. В приложении 3 показано содержание витаминов в основных продуктах питания.

При недостаточном поступлении витаминов развиваются гиповитаминозы. Обычно гиповитаминозы наблюдаются зимой и весной, когда содержание витаминов в пищевых продуктах уменьшается вследствие их разрушения при хранении. Особенно часто встречается гиповитаминоз С - цинга. Поэтому в это время года рекомендуется прием комплексных витаминных препаратов.

Избыточное введение водорастворимых витаминов не приводит к их накоплению в организме, так как их избыток сразу же выделяется с мочой. Поэтому поступление в организм водорастворимых витаминов должно быть регулярным. Жирорастворимые витамины при чрезмерном поступлении могут накапливаться в жировой ткани, вследствие чего могут возникать гипервитаминозы. Описаны случаи гипервитаминозов А, D и К.

Минеральные вещества поступают в составе продуктов питания, как правило, в количествах, соответствующих потребности организма. Исключение составляет лишь поваренная соль (хлористый натрий - NaCl), которая добавляется к пище в чистом виде. Физиологическая потребность в этой соли 5-6 г/сутки, однако, в силу вековых традиций и привычек её содержание в рационе значительно выше - 15-16 г. К необходимым для жизнедеятельности химическим элементам относятся: натрий, калий, хлор, кальций, магний, фосфор, железо, медь, йод, фтор, марганец, цинк.

Из продуктов питания более богаты минеральными веществами овощи и фрукты.

Содержание макроэлементов в основных продуктах питания приводится в приложении 3.

Недостаточное поступление в организм минеральных веществ, а также их избыток в пище приводят к нарушениям обмена веществ и возникновению заболеваний.

Как уже указывалось, пищевой рацион должен содержать балластные вещества или пищевые волокна. К ним относятся растительные высокомолекулярные углеводы (клетчатка, пектин, лигнин), имеющие прочные молекулы в форме длинных нитей. Эти вещества не гидролизуются пищеварительными ферментами и поэтому без изменений проходят через весь желудочно-кишечный тракт и выделяются из организма в нерасщепленном виде. Вследствие этого ранее считалось, что такие углеводы не приносят пользы, и что они являются как бы лишними компонентами пищевого рациона, т.е. «балластом».

В настоящее время установлено, что данные растительные углеводы выполняют в процессе пищеварения, по крайней мере, две важные функции. Во-первых, двигаясь по пищеварительному тракту и касаясь его стенки, пищевые волокна усиливают перистальтику, т.е. волнообразное сокращение стенки кишки, необходимое для перемещения пищи. Во-вторых, пищевые волокна оказались хорошими сорбентами. На них могут сорбироваться и затем вместе с ними покидать организм различные токсичные вещества как экзогенного происхождения (присутствующие в пище), так и эндогенного происхождения (образующиеся в организме в процессе метаболизма и выделяющиеся в полость желудочно-кишечного тракта, а также продукты гниения). В частности, на пищевых волокнах может сорбироваться холестерин. В связи с такой функцией клетчатку и другие пищевые волокна образно называют «дворники организма».

Еще одним условием рационального питания является соблюдение режима поступления пищи в организм. Правильный режим питания необходим для ритмичного и эффективного функционирования пищеварительной системы, для полноценного усвоения пищи и нормального протекания метаболических процессов.

Общепринятым является трех-четырехразовое питание с интервалами между приемами пищи в 4-5 часов. Кратность приема пищи зависит от объема и калорийности рациона: при возрастании объема и калорийности должна быть увеличена кратность питания, так как при одномоментном поступлении большого количества пищи переваривание и всасывание будут неполными и могут возникнуть различные неприятные ощущения (чувство тяжести, вздутие живота и т.п.), снижение работоспособности.

Частое нарушение режима питания (еда всухомятку, редкие и обильные приемы пищи, беспорядочная еда) может привести к заболеваниям органов пищеварения.