3.3 Обмен веществ и энергии

Потребляемые человеком углеводы, жиры и белки, вды­хаемый кислород — вот тот необходимый минимальный на­бор источников, обеспечивающих жизнедеятельность. Имен­но в процессе обмена углеводов (в первую очередь), жиров и белков и утилизации кислорода аккумулируется энергия, необходимая для работы всех клеток организма. Потреб­ляемые человеком углеводы (а это в основном раститель­ная пища и сахар) расщепляются до глюкозы и поступают в кровь. Нормальный уровень глюкозы в крови — 80-120 мг% — обеспечивается нейроэндокринной гомеостатической систе­мой. Эффективность этой системы регуляции уровня глю­козы весьма высока, поскольку, к примеру, нормальная ра­бота нервных клеток возможна именно при этом уровне содержания глюкозы. Известно, что именно последняя яв­ляется одним из важнейших субстратов энергообеспечения нейронов.

В печени и мышцах глюкоза депонируется в виде глико­гена. Общая емкость депо углеводов в организме человека составляет 500-800 г. Во всей крови человека содержится около 5 г глюкозы, следовательно, основная масса углево­дов —это гликоген. Наличной глюкозы циркулирующей кро­ви достаточно лишь на 3-5 минут питания тканей организма, и без ее восполнения энергообеспечение организма сводит­ся до недопустимых (критических) пределов. Для предотвра­щения этого и включаются механизмы восполнения необ­ходимого уровня глюкозы в крови за счет депонированного гликогена. Понижение уровня глюкозы в крови, связанное то ли с физической нагрузкой, то ли с голоданием, приводит к понижению ее поглощения гепатоцитами печени, снижению секреции бета-клеток поджелудочной железы, уменьшению выработки инсулина. При этом повышается тонус симпати­ческой системы, усиливается секреция адреналина и норадреналина в надпочечниках, что стимулирует распад глико­гена в депо и приводит к восстановлению уровня глюкозы в крови.

При физической работе скорость выхода глюкозы из пе­чени достигает 300 мг/мин, что обеспечивает в основном работу нервной ткани. Мышцы же используют имеющийся в них гликоген и только при истощении его запасов начинают утилизировать глюкозу крови. При длительной, тяжелой фи­зической работе, по мере истощения запасов углеводов в организме все большую роль как источника энергии начина­ют играть жиры.

Моноглицериды и жирные кислоты — продукты рас­щепления потребляемых жиров, в клетках эпителия тонко­го кишечника включаются в процесс синтеза триглицеридов, свойственных данному организму и в виде хиломикронов попадают в лимфу, а затем в кровь. Такова судьба 80-90 % всех жиров. Некоторое количество (10-20 %) жирных кислот поступает в кровь непосредственно, не участвуя в ресинтезе триглицеридов.

С кровью жиры и свободные жирные кислоты поступа­ют в клетки организма для включения в энергетические и пла­стические процессы и жировую ткань для депонирования. За­пасы нейтральных жиров в организме человека весьма зна­чительны, и составляют 10-20 % массы тела.

Окисление жиров осуществляется с потреблением боль­шего, чем для углеводов, количества кислорода, однако при этом выход энергии более, чем в два раза, превышает таковой для глюкозы. Так, при окислении в организме 1 г углеводов выделяется 4.1 ккал тепла, а 1 г жира — 9.3 ккал. При физической работе умеренной мощности, когда имеет место "устойчивое" состояние кислородоснабжения организ­ма, до 90 % необходимой энергии обеспечивается именно за счет жиров. При этом в работающих мышцах использу­ются как свободные жирные кислоты, попадающие в кровь в результате липолиза, так и собственные, освобождающиеся из триглицеридов, имеющихся в мышечных клетках.

Обмен белков служит главным образом для поддер­жания структуры организма и его роста, т.е. для пластиче­ских целей. Роль белков в энергетическом обеспечении ор­ганизма ничтожна, поэтому все расчеты энергетического ба­ланса ведутся в основном с учетом углеводного и жирового обмена.

Энергия, аккумулированная в химических связях углево­дов, жиров и белков и освобождающаяся при их расщепле­нии, используется как для синтеза АТФ, так и частично прев­ращается в теплоту. Теплота, выделяющаяся в процессе биологического окисления питательных веществ, называет­ся первичной. Соотношение энергии, используемой для син­теза АТФ и превращающейся в первичную теплоту, зависит от многих факторов, в частности, от сопряжения в митохондриях процессов дыхания и фосфорилирования. Разобщение этих процессов приводит к увеличению первичной тепло­ты, при этом количество синтезируемой АТФ снижается. Расчеты показывают, что из общего количества энергии окисления 1 г углеводов, равной 4.1 ккал, большая часть (3.9 ккал) превращается в первичную теплоту и только 0.92 ккал идет на синтез АТФ. Аккумулированная в АТФ энергия используется в дальнейшем для осуществления мышечной деятельности, химического синтеза и обновления структур, транспорта веществ и др. и в конечном итоге тоже превра­щается в теплоту. Эта теплота обозначается как вторичная. Таким образом, суммарное количество первичной и вторич­ной теплоты дает представление о количестве энергии хи­мических связей питательных веществ, подвергнувшихся рас­паду, и о величине энергетических затрат на обеспечение процессов жизнедеятельности.

Как указывалось, разные энергетические субстраты тре­буют различного количества кислорода для расщепления на конечные продукты. Между количеством потребленного кисло­рода и количеством выделившегося тепла существует опреде­ленная зависимость, определяемая через КЭО₂, - калориче-ский эквивалент кислорода. При этом имеют в виду теплопро­дукцию (в ккал) при потреблении 1 литра кислорода. КЭО₂ для углеводов составляет 5.05 ккал/л, для жиров - 4.69 ккал/л, для белков - 4.46 ккал/л. Поскольку потребляемая человеком пища, как правило, является смешанной, то реальная энерге­тическая стоимость 1 л кислорода может быть определена толь­ко с учетом дыхательного коэффициента (ДК). Дыхательный коэффициент это соотношение объема выделившейся угле­кислоты к объему потребленного кислорода при окислении уг­леводов, жиров и белков. Для углеводов ДК=1.0, для жиров— 0.8 и для белков — 0.7. Таким образом, при смешанном пита­нии, величина ДК колеблется от 0.7 до 1.0. Однако в отдельных критических случаях (гипервентиляция, кратковременная свер­хтяжелая физическая нагрузка) ДК может превышать 1.0, но в этом случае его показатель отражает не столько характер нор­мальных обменных процессов, сколько возникающую при этом разбалансировку карбонатной буферной системы крови.

В указанных пределах ДК (0.7-1.0) калорический эквива­лент кислорода колеблется от 4.7 до 5.05 ккал/л. Эти показате­ли (объем потребленного кислорода и КЭО), полученные экс­периментальным путем в каждом конкретном случае позволя­ют определить общий расход энергии в единицу времени. Ча­ще всего результаты экстраполируются на сутки и определяет­ся величина суточного обмена.

Показатель суточного обмена лежит в основе наиболее распространенной классификации тяжести различных видов труда. В таблице 4 представлены показатели суточного рас­хода энергии для разных групп профессий.

Таблица 4

Показатели суточного расхода энергии для разных групп профессий

Как видно из таблицы, минимальные энерготраты сопро­вождают труд, не связанный со сколько-нибудь значительны­ми мышечными усилиями. При этом рабочая прибавка все же почти в два раза превышает уровень основного обмена. Это весьма обобщенные данные, поскольку величина основного об­мена зависит, как известно, от многих факторов (пол, возраст, вес, рост и т.п.). Впрочем, и рабочая прибавка энерготрат в каждом конкретном случае весьма индивидуальна и зависит от характера и условий труда (температура среды, влажность, наличие других производственных факторов, состояние здоровья и многое другое).