Обмен энергии

В процессе жизнедеятельности организм непрерывно расходует энергию: на синтез различных соединений, на совершение мышечной работы, на осуществление дыхания, пищеварения, кровообращения, на поддержание температуры тела, на преодоление осмотических сил во время секреторных и выделительных процессов, на поддержание мембранных потенциалов и т. д.

Во время обмена в-в происходит превращение энергии: сложные органические соединения поступают с пищей они имеют потенциальную энергию. Эта потенциальная энергия превращается в тепловую, механическую и электрическую, воссоздаются структурные элементы клеток, организм растет и развивается.

Когда окисляются Б, Ж, У, то часть энергии используется для синтеза АТФ, а другая часть рассеивается в виде тепла. Большая часть энергии превращается в тепло, а меньшая часть используется на синтез АТФ (т е идет запасание энергии в макроэргических связях).

Первичная теплота – это теплота, которая выделяется непосредственно при о-ии пит в-в.

Вторичная теплота – это теплота, которая выделяется при расщеплении АТФ. Энергия АТФ тоже используется для механических, химических, транспортных, электрических процессов. Энергия АТФ тоже превращается в теплоту, только эта теплота уже называется вторичная теплота.

Сколько тепла образовалось в организме зависит от того, сколько химических связей окислилось и какой энергией они обладали.

Все превращения веществ связаны с энергетическими превращениями. В процессе обмена веществ сложные органические вещества с большим содержанием энергии превращаются в результате окислительных процессов в менее сложные вещества, при этом происходит освобождение энергии, которая переходит из одного вида в другой. В конечном итоге все виды энергии переходят в тепловую. Так как общее количество энергии в конечном счете не зависит от промежуточных стадий ее превращения, то общие энергетические затраты организма можно точно определить по количеству тепла, выделенного организмом во внешнюю среду. Следовательно, освобождающаяся в организме энергия может быть выражена в единицах тепла – калориях или джоулях, а методы определения количества образовавшейся энергии в организме называются калориметрическими. В качестве основной единицы энергии принят джоуль (Дж): 1 ккал равна 4,19 кДж.

Чтобы определить, сколько энергии образуется в организме, используют прямую калориметрию, непрямую калориметрию и исследование валового обмена.

Существует два вида калориметрии: прямая и непрямая (косвенная).

Прямая калориметрия – смотрят, сколько организм выделил тепла и рассчитывают энергетические затраты организма. Прямая калориметрия проводится в специальных , биокалориметрах, это герметичные и теплоизолированные камеры. В камере есть трубки, по ним циркулирует вода. Человека или животное помещают в эту камеру. Организм выделяет тепло, это тепло нагревает циркулирующую воду. Смотрят, количество воды (т е сколько воды протекло), и на сколько градусов изменилась температура этой воды. А потом считают, сколько тепла выделил организм.

Последние достижения – это биокалориметры градиентного типа, то есть камеры, стенки которых имеют градиентный слой (пленочки из меди, никеля, а между ними слой эпоксидной смолы). Здесь смотрят на разность сопротивлений в цепях, которые включают в схему моста Уитстона. Биокалориметры градиентного типа делают в форме костюма, чтобы человек мог спокойно двигаться (для космонавтов, подводников).

Непрямая калориметрия

Тепло образуется, потому что идут окислительные процессы, потребляется О₂ и образуется СО₂. Следовательно, можно определить сколько тепла образовалось в организме по газообмену, то есть определяют, сколько потребилось О₂ и выделилось СО_2, на этом основана непрямая калориметрия.

Способы непрямой калориметрии:

Закрытые способы – если долго исследуют газообмен, то используют специальные респираторные камеры.

Открытые способы – если газообмен исследуют недолго, то можно пользоваться более простыми, некамерными методами.

Для исследования газообмена чаще всего пользуются способом Дугласа-Холдейна. На спине испытуемого укрепляют мешок, который не пропускает воздух. В течение 10-15 минут он дышит, а выдыхаемый воздух собирают в этот мешок. Испытуемый дышит через загубник или резиновую маску, которую одевают на лицо. Там есть клапаны, которые сделаны так, что он дышит атмосферным воздухом, а выдыхает в мешок Дугласа. Когда мешок наполняется, то сначала измеряют объем выдохнутого воздуха, а потом определяют в нем количество О₂и СО₂.

Кислород нужен для о-я Б, Ж, У. Для окисления 1 г этих в-в нужно разное количество О₂ и выделяется разное количество тепла.

Калорический эквивалент кислорода – показывает сколько тепла выделилось, если организм потребил 1 л О₂. Если мы знаем, сколько О₂ использовал организм и знаем, какие в-ва (Б, Ж или У) окислились, то мы можем посчитать энергетические затраты.

Непрямая калориметрия подразделяется на несколько видов.

1. Непрямая калориметрия, основанная на учете теплотворной способности питательных веществ. Теплотворная способность или калорическая ценность питательных веществ определяется путем сжигания 1 г вещества в специальном калориметре ("бомба" Бертло) путем пропускания электрического тока. Сам калориметр погружен в воду и о количестве выделившегося тепла судят по изменению температуры воды. Калорическая ценность 1 г белка равна 4,1 ккал (17,17 кДж), 1 г жира - 9,3 ккал (38,96 кДж), 1 г углеводов - 4,1 ккал (17,17 кДж).

Так как тепловой эффект химического процесса не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состоянием химической системы, то закономерности, полученные в "бомбе" Бертло, можно перенести на живой организм, где эти вещества не горят, а медленно окисляются.

Жиры и углеводы горят в калориметре и окисляются в организме до одних и тех же конечных продуктов - углекислого газа и воды, поэтому количество тепла, выделяемого в калориметре и в живом организме будет одинаковым. При окислении белков в организме образуются креатинин, мочевина, мочевая кислота, которые дальше не окисляются и выводятся из организма. В калориметрической "бомбе" эти вещества сгорают до углекислого газа, воды и аммиака и выделяют еще некоторое количестве тепла. Поэтому для белков введено понятие физической и физиологической калорической ценности. Физиологическая калорическая ценность 1 г белка (4,1 ккал) меньше физической (5,6 ккал).

Таким образом, зная количество принятых питательных веществ и их калорическую ценность можно рассчитать количество энергии, выделившейся в организме.

2. Непрямая калориметрия, основанная на данных газового анализа. При изучении калорической ценности питательных веществ было установлено, что поглощению определенного количества кислорода и выделению определенного количества углекислого газа за один и тот же промежуток времени соответствует определенное количество выделенного тепла. Такая зависимость позволяет использовать для определения количества тепла, освобождающегося в организме, данные газового анализа: количество поглощенного кислорода и количество выделенного за этот же промежуток времени углекислого газа.

Отношение выделенного СО₂ к потребленному О₂ показывает, какие в-ва преимущественно окисляются. Дыхательный коэффициент (ДК )– это отношение количества углекислого газа, выделившегося при окислении к количеству кислорода, пошедшего на окисление. ДК разный при о-ии Б, Ж, У. При окислении Б равен 0,8, при окислении Ж - 0,7, а при окислении У - 1,0. Если пища смешанная, то ДК равен 0,85-0,9.

Пр-р: Вычислим ДК при о-ии глюкозы. Итог о-я:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О

Затратилось 6 молекул О₂ и образовалось 6 молекул СО₂. А по закону Авогадро-Жерара: при одной и той же температуре и давлении, равное число молекул газов занимает одинаковые объемы Поэтому ДК (отношение СО₂/О₂) при о-ии глюкозы и У равно 1

Пр-р: Вычислим ДК при о-ии трипальмитина:

2С₃Н₅(С₁₅Н₃₁СОО)₃ + 145О₂ = 102СО₂ + 98Н₂О

102СО₂/145О₂= 0,7

Экспериментальными исследованиями установлено, что каждому значению ДК соответствует определенный калорический эквивалент кислорода, т. е. сколько тепла, освобождается при полном окислении какого-либо вещества до СО₂ и Н₂О на каждый литр поглощенного кислорода. Калорический эквивалент кислорода при окислении белков равен 4,8 ккал (20,1 кДж), жиров - 4,7 ккал (19,619 кДж), углеводов - 5,05 ккал (21,2 кДж).

Непрямая калориметрия с использованием данных газового анализа подразделяется на три метода.

1. Метод непрямой калориметрии с использованием данных неполного газового анализа. Определяют только количество поглощенного кислорода (для этого используют спирографы). Усредненный ДК равен 0,85. При этом ДК калорический эквивалент 1 л кислорода равен 20,356 кДж (или 4,85ккал). Умножают количество поглощенного О₂ на средний калорический эквивалент кислорода (4,85 ккал), и определяют количество образовавшегося тепла.

2. Метод непрямой калориметрии с использованием данных полного газового анализа, т. е. определение количества поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, с последующим расчетом ДК. По таблицам определяют тот калорический эквивалент кислорода, который соответствует найденному ДК.

3. Метод непрямой калориметрии с использованием данных полного газового анализа и с учетом количества распавшегося белка. Так как в состав молекулы белка входит азот, который выделяется с калом, мочой, потом, то можно определить количество выделившегося азота, а, следовательно, и количество распавшегося белка, зная, что 1 г азота содержится в 6,25 г белка.

Интенсивность обменных процессов зависит от:

индивидуальных особенностей организма (пол, возраст, вес, рост, мышечная работа и др)

условий внешней среды (температура, давление, влажность воздуха).

Поэтому, чтобы определить интенсивность окислительных процессов исследование проводят в стандартных условиях, стараются исключить факторы, которые влияют на интенсивность окислительных процессов (мышечная работа, хавчик, t)

Поэтому для сравнения энергетических затрат у разных людей и у одного и того же человека в разное время была введена условная стандартная величина - основной обмен. Основной обмен - это минимальные для бодрствующего организма затраты энергии, определенные в строгих стандартных условиях:

- в положении лежа, при полном мышечном и эмоциональном покое (т. к. мышечное и эмоциональное напряжение значительно повышают энерготраты);

- натощак, через 12-16 часов после последнего приема пищи (чтобы исключить специфическое-динамическое действие пищи);

- при внешней температуре комфорта - 18-20 градусов тепла (температура выше или ниже этих цифр может значительно изменить - увеличить или уменьшить - энерготраты);

- исключить в течение 3 суток перед исследованием прием белковой пищи.

- В состоянии бодрствования, т к во время сна затраты энергии ниже на 10%.

На основании многочисленных экспериментальных исследований основного обмена у здоровых людей разного пола, веса тела, роста и возраста статистическим путем были составлены таблицы, по которым можно рассчитать величину основного обмена, которая должна быть у данного человека в соответствии с его полом, возрастом, весом тела и ростом. Затем у этого же человека одним из методов калориметрии определяют величину истинного основного обмена и сравнивают эти величины.

Энергия в условиях основного обмена идет на то, чтобы клетки поддерживали необходимый для жизни минимальный уровень ОВ процессов, чтобы работали постоянно сердце, почки, печень, дыхательные мышцы, нужно поддерживать мышечный тонус.

Величина основного обмена зависит от многих факторов, но особенно сильно она изменяется при некоторых эндокринных заболеваниях. Например, резкое повышение величины основного обмена наблюдается при гиперфункции щитовидной железы, а при гипофункции этой железы, он понижен. К снижению величины основного обмена приводит недостаточность функции гипофиза и половых желез.

Величина основного обмена в среднем составляет 1 ккал в 1 ч на 1 кг массы тела. У мужчин в сутки основной обмен равен 1700 ккал, у женщин - на 10% ниже.

Суточный расход энергии у здорового человека значительно превышает величину основного обмена и складывается из следующих компонентов:

- основного обмена;

- рабочей прибавки, т. е. энергозатрат, связанных с движением и с выполнением той или иной работы;

- специфического-динамического действия пищи - увеличения интенсивности обмена веществ и энергозатрат, связанных с приемом пищи, процессами пищеварения и всасывания.

Так прием белковой пищи увеличивает обмен на 30-40%, а при питании жирами и углеводами обмен увеличивается на 4-15%.

Совокупность компонентов суточного расхода энергии составляет рабочий обмен.

Нормальная жизнедеятельность организма может, осуществляться только в том случае, если происходит адекватное приспособление процессов обмена веществ и энергии к изменяющимся условиям. Такое приспособление организма обеспечивается процессами саморегуляции.

Основы рационального питания

Исходным материалом для обновления и создания живой ткани и источником энергии является пища. Поэтому питание человека должно быть рациональным. Оно должно точно соответствовать потребностям организма в пластических веществах и энергии, минеральных солях, витаминах и воде, обеспечивать нормальную жизнедеятельность организма, хорошее самочувствие, высокую работоспособность, высокую сопротивляемость инфекциям, правильный рост и развитие детского организма.

Чтобы питание было рациональным при составлении пищевого рациона (т. е. количества и состава продуктов питания, необходимых человеку в сутки), необходимо следовать ряду принципов.

1. Калорийность пищевого рациона должна покрывать энергетические затраты организма, которые определяются видом трудовой деятельности. Все взрослое население в зависимости от выполняемой работы делится на 5 групп, каждой из которых соответствует определенное количество расходуемой энергии в сутки.

- I группа - работники умственного труда - 2800-3000 ккал;

- II группа - работники механизированного труда и сферы обслуживания - 3000-3500 ккал;

- III группа - работники умеренно тяжелого труда, связанного со значительными физическими усилиями - 3500-4000 ккал;

- IV группа - работники тяжелого, немеханизированного труда - 4000-4500 ккал;

- V группа - работники очень тяжелого физического труда - 4500-5000 ккал.

2. Учитывается калорическая ценность питательных веществ.

3. Возможность использовать закон изодинамии питательных веществ, т. е. взаимозаменяемости белков, жиров и углеводов. Исходя из энергетической ценности питательных веществ, они могут заменять друг друга. Например, 1 г жира, высвобождающий при окислении 9,3 ккал, можно заменить 2,3 г белка или углеводов. Однако, следует помнить, что такая замена возможна только на короткое время, т. к. питательные вещества выполняют не только энергетическую, но и пластическую функцию, т. е. они необходимы для построения новых клеток.

4. В пищевом рационе должно содержаться оптимальное для данной группы работников количество белков, жиров и углеводов. Например, для работников 1 группы в суточном рационе должно быть 80- 120 г белка, 80-100 г жира, 400-600 г углеводов. Особое значение имеет содержание белков в суточном рационе. О достаточности или недостаточности белкового рациона позволяет судить так называемый азотистый баланс: соответствие количества азота вводимого с пищей, количеству азота, выводимого из организма. В норме должно иметь место азотистое равновесие - состояние, при котором количество азота, вводимого в организм, равно его количеству, выводимому из организма. Если белковый рацион недостаточен, то возникает состояние получившее название отрицательный азотистый баланс - в организм азота вводится меньше, чем выводится с продуктами распада. Отрицательный азотистый баланс наблюдается при голодании, при тяжелых инфекционных заболеваниях, в старческом возрасте, при распаде опухолей и т. д. Положительный азотистый баланс - состояние, когда азота в организм вводится больше, чем выводится из организма, т. е. идет ретенция (задержка) азота в организме. Положительный азотистый баланс наблюдается: в период роста организма, при беременности, после длительного голодания, после тяжелых инфекционных болезней, в период роста опухолей.

5. В пищевом рационе количество белков, жиров и углеводов должно содержаться в соотношении 1:1:4.

6. Пищевой рацион должен полностью удовлетворять потребность организма в витаминах, минеральных солях и воде.

7. Пища обязательно должна содержать полноценные и неполноценные белки.

8. Рекомендуется включать в пищевой рацион одну треть суточной нормы белков и жиров животного происхождения.

9. Необходимо учитывать степень усвоения различных питательных веществ.

10. При составлении суточного рациона питания следует учитывать объем пищи, т. к. от объема пищи зависит чувство насыщения.

11. Лучшее усвоение питательных веществ обеспечивается правильным режимом питания.

12. Необходимо учитывать правильное распределение суточной калорийности рациона по отдельным приемам пищи.

13. Продукты, богатые белком (мясо, рыба, бобовые), рекомендуется употреблять в дневные часы, вечером - молочно-растительные блюда.

14. При составлении пищевого рациона необходимо помнить, что вкус пищи, ее внешний вид, запах, обстановка приема пищи имеют большое значение для условно-рефлекторного отделения желудочного сока, который И. П. Павлов назвал "запальным" или "аппетитным" соком, функция последнего заключается в подготовке органов пищеварения к приему пищи и ее немедленной переработке.