Энергетический обмен

Использование химической энергии в организме называют энергетическим обменом.

В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую.

Образующая энергия расходуется на:

1. поддержание температуры тела;

2. выполнение работы;

3. воссоздание структурных элементов клеток;

4. обеспечение их жизнедеятельности;

5. роста и развития организма.

Преобладающим результатом энергетических процессов в организме является теплообразование, поэтому вся энергия, образовавшаяся в организме, может быть выра­жена в единицах тепла – калориях или джоулях.

Клетки получают энергию из белков, жиров и углеводов пищи путем перехода ее в форму, которая доступна для использования в организме. Такая энергия образуется в сложной цепи метаболических реакций. Эти реакции могут быть разделены на три этапа.

Первый этап реализуется в основном в пищеварительном тракте, где крупные молекулы белков, жиров и углеводов расщепляются ферментами на специфические структурные блоки (аминокислоты, жирные кислоты, глицерол, глюкозу и другие сахара).

На втором этапе из этих продуктов образуются еще более простые молекулы, общие для обмена разных веществ. К ним относятся: пируват, ацетилкоэнзим А, α-кетоглутарат, оксалоацетат, фумарат, сукцинат.

Третий этап включает в себя цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты, или цикл Кребса, что приводит к окислению веществ до СО₂ и Н₂О. Освобождающиеся азотистые продукты обмена, как и вода с углекислым газом, удаляются органами выделения.

Часть заключенной в питательных веществах химической энергии преобразуется в другие биологически полезные формы – электрическую, осмотическую, механическую. Основная часть энергии выделяется в виде тепла.

Методы определение энергозатрат организма

В основе процессов обмена энергии лежат законы термодинамики, т.е. законы взаимных превращений различных видов энергии при переходах ее от одних тел к другим в форме теплоты или работы.

С точки зрения термодинамики живые организмы относятся к открытым стационарным неравновесным системам. Это означает, что они обмениваются с окружающей средой веществом и энергией.

В физиологии и медицине для определения энергообразования в организме используются методы калориметрии (прямой и непрямой), а также исследование валового обмена.

Прямая калориметрия.

Этот метод основан на непосредственном и полном учете количества выделенного организмом тепла в биокалориметрах (герметизированная и хорошо теплоизолированная от внешней среды камера, в которой по трубкам циркулирует вода, а также подается кислород и, поглощаются избыток углекислоты и водяных паров).

В зависимости от степени нагревания воды и ее массы проводится оценка количества тепла, выделяемого организмом в единицу времени.

Непрямая калориметрия.

В отличие от прямой калориметрии методы непрямой калориметрии являются более удобными и простыми. Данная методика включает два способа оценки энергозатрат организма:

1. Неполный газовый анализ.

2. Полный газовый анализ.

Неполный газовый анализ основан на определении количества потребляемого организмом кислорода с последующим расчетом теплопродукции.

Для этой цели используют приборы спирометаболографы, представляющие замкнутую систему, которая состоит из спирометра и поглотителя двуокиси углерода. В соответствии с ритмом дыхания регистрируется спирограмма. Высота наклона кривой соответствует количеству поглощенного кислорода.

Зная объем поглощенного за 1 мин кислорода, усредненный дыхательный коэффициент и соответствующий ему калорический эквивалент кислорода можно рассчитать энергообмен за любой промежуток времени.

Полный газовый анализ основан на определении объема выделяющегося углекислого газа и объем потребленного организмом кислорода с последующим расчетом теплопродукции.

Для оценки интенсивности газообмена при полном газовом анализе используют закрытые и открытые системы.

В приборах закрытых систем предусмотрено вдыхание испытуемым из замкнутого пространства воздуха или кислорода, выдыхаемый воздух направляется в это же пространство.

Наиболее распространенным является открытый способом исследования теплопродукции – метод Дугласа-Холдейна. Преимуществом данного метода является тот факт, что энергозатраты организма могут быть определены во время выполнения любой работы. Суть этого метода заключается в том, что в течение 10—15 мин собирают выдыхаемый воздух в мешок из воздухонепроницаемой ткани (мешок Дугласа), укрепляемый на спине. Обследуемый дышит через загубник, взятый в рот, или резиновую маску, надетую на лицо. В загубнике и маске имеются клапаны, устроенные так, что атмосферный воздух свободно вдыхается, а выдыхает в мешок Дугласа. Когда мешок наполнен, измеряют объем выдохнутого воздуха, в котором определяют количество кислорода и углекислого газа.

Схема определения энергетических затрат методом Дугласа-Холдейна.

1. На первом этапе после выполнения определенной работы определяют количества потребленного О₂ и выделенного СО₂. Для этого необходимо установить концентрацию этих газов в мешке Дугласа. Зная содержание О₂ и СО₂ в атмосферном воздухе, можно вычислить, насколько уменьшилось содержание кислорода и увеличилось содержание двуокиси углерода в выдыхаемом воздухе.

2. На основании полученных данных проводиться вычисление дыхательного коэффициента. Дыхательный коэффициент – это отношение объема выделенной СО₂.к объему поглощенного О₂.

ДК = СО₂ (л) / О₂ (л)

Дыхательный коэффициент (ДК) различен при окислении белков, жиров и углеводов.

Например, при окислении глюкозы количество молекул образовавшегося СО₂ и количество молекул поглощенного О₂ равны, поэтому ДК для углеводов равен 1.

При окислении жиров и белков ДК будет ниже единицы. Так, при окислении жиров он равен 0,7, а белков 0,8.

При смешанной пище ДК составляет 0,8—0,9.

При голодании и сахарном диабете в связи со снижением метаболизма глюкозы увеличивается окисление жиров и белков и ДК может снижаться до 0,7.

3. Для каждого вычисленного ДК имеется определенный калорический эквивалент кислорода (КЭК). КЭК – это количество энергии, которое освобождается при полном окислении 1 г питательного вещества (до конечных продуктов) в присутствии 1 л кислорода (таблица).

Таблица

Соотношение дыхательного коэффициента

и калориметрического эквивалента кислорода

КЭК	Дыхательный коэффициент
	0,70	0,75	0,80	0,85	0,90	0,95	1,0
кДж	19,619	19,841	20,101	20,356	20,616	20,871	21,173
ккал	4,686	4,739	4,801	4,862	4,924	4,985	5,057

4. Найденный КЭК умножают на количество потребленного кислорода и находят количество энергии необходимое для выполнения определенного вида деятельности.