10.3. Обмен энергии в организме

Источником энергии в организме служат продукты гидролиза углеводов, жиров и белков, поступающие в организм. Освобожде­ние же энергии в организме происходит в процессе диссимиляции (катаболизма), т. е. распада клеточных структур и соединений ор­ганизма, которые синтезируются из питательных веществ, посту­пающих в кровь в результате пищеварения (гидролиза) пищевых продуктов и всасывания продуктов гидролиза в кровь. Различают основной и рабочий обмен.

А. Основным обменом называют минимальный расход энер­гии, обеспечивающий гомеостазис в стандартных условиях: при бодр­ствовании, максимальном мышечном и эмоциональном покое, нато-

258

259

щак (12 -16 ч без еды), при температуре комфорта (18° - 20°С). Основной обмен определяют в указанных стандартных условиях по­тому, что физическая нагрузка, эмоциональное напряжение, прием пищи и изменение температуры окружающей среды увеличивают интенсивность метаболических процессов в организме (расход энер­гии). Энергия основного обмена в организме расходуется на обеспе­чение жизнедеятельности всех органов и тканей организма, клеточ­ный синтез, на поддержание температуры тела.

На величину должного (среднестатистического) основно­го обмена здорового человека влияют следующие факторы: пол, воз-. раст, рост и масса тела (вес). На величину истинного (реального) основного обмена здорового человека влияют также условия жизне­деятельности, к которым организм адаптирован: постоянное про­живание в холодной климатической зоне увеличивает основной обмен; длительное вегетарианское питание уменьшает. Величину должного основного обмена у человека определяют по табли­цам, формулам, номограммам.

Для определения величины истинного основного обмена у человека используют метод Крога (неполный газовый анализ, см. раздел 12.3).

Величина основного обмена в сутки у мужчин составляет 1500 -ъ 1700ккал (6300- 7140 кДж); в расчете на 1 кг массы в сутки равна 21-24 ккал (88 - 101 кДж). У женщин эти показатели примерно на 10% меньше.

Показатели основного обмена при расчете на 1м² поверхности тела у теплокровных животных разных видов и человека примерно равны, при расчете на 1 кг массы сильно отличаются: чем мельче организм, тем больше расход энергии.

Б. Рабочим обменом называют совокупность основного обме­на и дополнительного расхода энергии, обеспечивающего жизне­деятельность организма в различных условиях. Факторами, повы­шающими расход энергии организмом, являются: физическая и умственная нагрузка, эмоциональное напряжение, изменение тем­пературы и других условий окружающей среды, специфическиди-намическое действие пищи (увеличение расхода энергии после приема пищи). При этом изменение температуры в интервале 15 -30°С существенно не сказывается на энергозатратах организма. При температуре ниже 15°С, а также выше 30°С расход энергии увели­чивается. Повышение обмена веществ при температуре окружаю­щей среды ниже 15° предотвращает охлаждение организма.

Расход энергии организмом после приема белковой и смешан­ной пищи увеличивается на 20 - 30%, после приема жиров и угле­водов увеличивается на 10 - 12%.

260

Часть тепловой энергии, вырабатываемой организмом в процес­се его жизнедеятельности, обеспечивает механическую работу. Для определения эффективности этого преобразования вводится поня­тие коэффициент полезного действия организма при мышечной работе - это выраженное в процентах отношение энергии, эквива­лентной полезной механической работе, ко всей энергии, затрачен­ной на выполнение этой работы. Коэффициент полезного действия (КПД) у человека при мышечной работе рассчитывают по фор-

д

муле: КПД = -—-100%, где А - энергия, эквивалентная полезной

работе, С - общий расход энергии, е - расход энергии за такой же промежуток времени в состоянии покоя. КПД равен 20%.

261

В. Потребность организма в энергии (ккал в сутки) опреде­ляется видом трудовой деятельности (табл. 10.1).

Напомним, что питание должно быть сбалансированным - со­отношение белков, жиров и углеводов 1:1, 2:4, 6, содержать доста­точное количество воды, минеральных солей и витаминов.

Г. Исследование прихода энергии в организм. Основными методами определения количества энергии в навеске продукта яв­ляются: физическая калориметрия; физико-химические методики определения количества белков, жиров и углеводов в навеске с по­следующим расчетом содержащихся в них энергий по таблицам.

Сущность способа физической калориметрии заключается в следующем: в калориметре сжигают навеску продукта, а затем по степени нагревания воды и материала калориметра рассчитывают выделившуюся энергию. Количество тепла, выделившегося при сго­рании продукта в калориметре, рассчитывают по формуле:

где О. - количество тепла, М - масса (в - воды, к - калориметра), (1₂^_ ^) ~ разность температур воды и калориметра после и до сжи­гания навески, С - удельная теплоемкость, 0 - количество теп­ла, образуемое окислителем.

Количество тепла, освобождаемое при сгорании 1 г вещества в калориметре, называют физическим калорическим коэффици­ентом, при окислении 1 г вещества в организме - физиологиче­ским калорическим коэффициентом. Основанием для расчета прихода энергии в организм по количеству усвоенных белков, жи­ров и углеводов является закон термодинамики Гесса, который гла­сит: термодинамический эффект зависит только от теплосодержа­ния начальных и конечных продуктов реакции и не зависит от промежуточных превращений этих веществ. При окислении в ор­ганизме 1 г белков освобождается 4, 1 ккал(17, 2кДж), 1 г жиров -9, 3 ккал (38, 9 кДж), 1 г углеводов - 4, 1 ккал (17, 2 кДж). При сгорании в калориметре жиров и углеводов выделяется столько же тепла, сколько в организме. При сгорании белка в калориметре энер­гии выделяется несколько больше, чем в организме, так как часть энергии белка при окислении в организме теряется с мочевиной и другими веществами белкового обмена, которые содержат энергию и выводятся с мочой.

Чтобы рассчитать приход энергии в организм с пищей, химическим путем определяют содержание белков, жиров и углеводов в продуктах питания, умножают их количество на соот­ветствующие физиологические калорические коэффициенты, сум­мируют и из суммы вычитают 10% - что не усваивается в пищева­рительном тракте(потери с калом).

262

Д. Расход энергии организмом определяют с помощью пря­мой и непрямой калориметрии. Основными из этих методов явля­ются следующие: прямая калориметрия - метод Этуотера - Бене­дикта; непрямая, или косвенная, калориметрия - методы Крога, Шатерникова, Дугласа - Холдена.

Принцип прямой калориметрии основан на непосредственном измерении количества тепла, выделенного организмом.

Принцип работы и устройство камеры Этуотера - Бене­дикта. Камера, в которую помещают испытуемого, термически изо­лирована от окружающей среды, ее стенки не поглощают теп­ло, внутри них находятся радиаторы, через которые течет вода. По степени нагрева определенной массы воды рассчитывают количе­ство тепла, израсходованного организмом.

Принцип непрямой (косвенной) калориметрии основан на расчете количества выделившейся энергии по данным газообмена (поглощенный 0₂ и выделившийся С0₂ за,сутки). Количество вы­деляемой организмом энергии можно рассчитать по показателям газообмена потому, что количество потребленного организмом 0₂ и выделенного С0₂ точно соответствует количеству окисленных белков, жиров и углеводов, а значит, и израсходованной организ­мом энергии. Для расчета расхода энергии методом непрямой ка­лориметрии используются дыхательный коэффициент и калориче­ский эквивалент кислорода.

Дыхательным коэффициентом называют отношение объема выделенного организмом углекислого газа к объему потребленно­го за это же время кислорода. Величина дыхательного коэффици­ента зависит от соотношения белков, жиров и углеводов, окисляю­щихся в организме. Дыхательный коэффициент при окислении в организме белков равен 0,8, жиров - 0,7, углеводов -1,0. Дыха­тельный коэффициент для жиров и белков ниже, чем для углево­дов, вследствие того, что на окисление белков и жиров расходует­ся больше 0₂, так как они содержат меньше внутримолекулярного кислорода, чем углеводы. Дыхательный коэффициент у человека в начале интенсивной физической работы приближается к единице, потому что источником энергии в этом случае являются преиму­щественно углеводы.

В первые минуты после интенсивной и длительной физической работы дыхательный коэффициент у человека больше единицы, так как С0₂ выделяется больше, чем потребляется 0₂, поскольку мо­лочная кислота, накопившаяся в мышцах, поступает в кровь и вы­тесняет С0₂ из бикарбонатов.

Калорическим эквивалентом кислорода называют количест­во тепла, освобождаемого организмом при потреблении 1л 0₂. Ве-

263

личина калорического эквивалента кислорода зависит от соотно­шения белков, жиров и углеводов, окисляющихся в организме. Ка­лорический эквивалент кислорода при окислении в организме (в процессе диссимиляции) белков, жиров и углеводов равен: для белков - 4, 48 ккал (18,8 кДж), для жиров - 4,69 ккал (19,6 кДж), для углеводов - 5,05 ккал (21,1 кДж).

Определение расхода энергии по способу Дугласа - Холдена (полный газовый анализ) осуществляют следующим образом. В те­чение нескольких минут испытуемый вдыхает атмосферный воз­дух, а выдыхаемый воздух собирают в специальный мешок, изме­ряют его количество и проводят анализ газов с целью определения объема потребленного кислорода и выделившегося С0₂. Рассчиты­вают дыхательный коэффициент, с помощью которого по таблице находят соответствующий калорический эквивалент 0₂, который затем умножают на объем 0₂, потребленного за данный промежу­ток времени.

Метод М. Н. Шатерникова для определения расхода энер­гии у животных в эксперименте заключается в следующем. Живот­ное помещают в камеру, в которую поступает кислород по мере его расходования. Выделяющийся при дыхании С0₂ поглощается ще­лочью. Расчет выделенной энергии осуществляется по количеству

264

потребленного 0₂ и усредненному калорическому эквиваленту 0₂: 4,9 ккал (20,6 кДж).

Определение расхода энергии по способу Крога (неполный газовый анализ). Испытуемый вдыхает кислород из мешка метабо-лиметра, выдыхаемый воздух возвращается в тот же мешок, пред­варительно пройдя через поглотитель С0₂. По показаниям метабо-лиметра определяют расход 0₂ и умножают на калорический эквивалент кислорода в условиях основного обмена: 4,86 ккал (20,36 кДж). Таким образом, метод Дугласа - Холдена предполага­ет расчет расхода энергии по данным полного газового анализа; ме­тод Крога - только по объему потребленного кислорода с исполь­зованием калорического эквивалента кислорода, характерного для условий основного обмена (рис. 10.1).

Изменение интенсивности выработки энергии в организме иг­рает главную роль в процессах терморегуляции.