Лекция 11 Основной и общий обмен энергии. Обмен и использование энергии при разном физиологическом состоянии

Рассматриваемые вопросы:

1. Превращение энергии в организме.

2. Энергетический баланс организма.

Обмен энергии и обмен веществ – это два взаимосвязанных, одновременно протекающих процесса. При распаде питательных веществ в организме выделяется энергия, которая расходуется на синтез специфических соединений и процессы жизнедеятельности. Поэтому раздельное рассмотрение промежуточного обмена веществ и обмена энергии делается лишь в дидактических целях, для простоты их понимания. В зоотехнической практике это оправдывается ещё и тем, что энергия является одним из важнейших нормируемых показателей рационов животных. Её дефицит часто служит основным фактором, лимитирующим высокую продуктивность животных, особенно молочную.

Энергетика организма подчиняется первому и второму законам термодинамики. Первый закон, известный как закон сохранения энергии, гласит, что энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одной формы в другую. Организм животного должен получать энергию в доступной для него форме из окружающей среды и возвращать в среду соответствующее количество энергии в форме, менее пригодной для использования.

Второй закон термодинамики, определяющий направление превращений энергии, утверждает, что энергия самопроизвольно может переходить только с более высокого уровня на более низкий, причём способность совершать работу при этом уменьшается. Потенциальная энергия переходит в кинетическую, при этом часть энергии превращается в тепловую и теряется системой (первичное тепло). В закрытой системе это приводит к увеличению энтропии, т.е. меры неупорядоченности. Однако живой организм с точки зрения термодинамики относится к гетерогенной открытой системе, т.к. обменивается со средой веществами и энергией.

Превращение энергии в организме

В организм животных поступает энергия, содержащаяся в питательных веществах корма. Эта энергия должна обеспечить расходы на поддержание жизни и синтез определённой продукции (молока, яиц, шерсти, отложений белка и жира в теле).

Освобождение энергии питательных веществ происходит в незначительной степени при переваривании высокомолекулярных соединений до мономеров в желудочно-кишечном тракте, а главным образом в ходе промежуточного обмена в клетках. Энергетика обмена веществ в клетках основывается на трёх главных принципах, которые отличают её от энергетических процессов в неживой природе:

1) химическая энергия может превращаться в работу и другие формы энергии без предварительного превращения её в тепловую; организм – это хемодинамический, а не тепловой двигатель, энергия используется в нём с большей эффективностью;

2. освобождение энергии происходит поэтапно, небольшими порциями, что предохраняет организм от «энергетического взрыва» и обеспечивает более полную утилизацию энергии;

3. сохранение и использование энергии, освободившейся при распаде углеводов, белков и жиров, осуществляется путём превращения её в энергию других веществ (макроэргов), являющихся биологическими аккумуляторами энергии;

Освобождение и аккумуляция энергии в клетках происходят в процессе промежуточного обмена, в ходе образования ключевых метаболитов и их окисления в цикле трикарбоновых кислот, с освобождением Н₂ и образованием СО₂.

Таким образом, сущность энергетического обмена состоит в освобождении электронов из питательных веществ и использовании их энергии для обеспечения химических процессов организма.

АТФ – это «текущий» источник энергии для организма, её запасы сравнительно невелики и постоянно обновляются. Резервными же источниками энергии являются гликоген печени и мышц, кетоновые тела, триацилглицериды жировой ткани, а при определённых условиях мобилизуемые белки печени и мышц. Эти соединения включаются в метаболический цикл описанными выше путями.

Химическая энергия в виде АТФ является как бы универсальной «энергетической валютой» и может необратимо превращаться во все другие формы энергии (механическую, электрическую, тепловую). Клетки используют эту энергию, а для её возмещения перерабатывают соответствующее количество энергетических источников. Энергия АТФ обеспечивает процессы мышечного сокращения, активного мембранного транспорта, передачи информации, биосинтеза.

В ходе трансформации химической энергии совершается та или иная работа: механическая – при сокращении мышц, электрическая – при передаче нервного импульса, осмотическая – при трансмембранном переносе вещества; часть энергии переходит в потенциальную энергию химического синтеза.

Как и образование АТФ, её распад и перенос энергии сопряжены с энергетическими тратами. Эта энергия (составляющая около половины всей химической энергии АТФ) не может быть использована организмом, освобождается в виде первичного тепла и выводится из организма.

В конечном же итоге энергия выполненной работы также превращается в тепловую и выделяется в виде вторичного тепла. Так, мышцы, сокращаясь, производят механическую работу, но выделенное при этом тепло отдаётся в окружающую среду (отсюда «согревание» при мышечной работе). Механическая энергия, приданная крови сокращениями сердца, тратится на преодоление трения; при этом кинетическая энергия движения переходит в тепловую и также отдаётся в среду.

Таким образом, потенциальная энергия корма эквивалентна потерям тепла и отложениям в теле (продуктах). У животных, закончивших рост и не дающих продукции, количество выделенного тепла эквивалентно количеству затраченной энергии на процессы жизнедеятельности при данных условиях. Именно на этом принципе определения теплопродукции основаны методы определения затрат энергии животными с целью научного обоснования калорийности их питания.

Поскольку все формы энергии, участвующие в обмене веществ, могут быть превращены в тепло, для их выражения используются тепловые единицы системы СИ или внесистемные единицы:

1 джоуль (Дж) = 0,239 кал

1 калория = 4,187 Дж

1 л О2 (в окислительном метаболизме) = 20,08 кДж.

Энергетический баланс организма

Энергетический баланс – это разность между количеством энергии, поступающей с кормом, и количеством энергии, расходуемой организмом.

Очевидно, что при избыточном питании, превышающем расходы энергии, будет происходить накопление энергетических запасов в организме (в основном в виде жира), при недостаточном питании – уменьшение собственных энергетических ресурсов.

Определение баланса энергии включает два этапа: определение калорийности питательных веществ, потребляемых животными с кормами, и определение всех энергетических трат организма. Для продуктивного животного с уравновешенным энергетическим балансом это соотношение выражается следующей формулой:

Е_{к =} Q + W + R, или Е_к = Q₁ + R,

Е_к - энергия, поступившая с кормом; Q и Q₁ – тепло, выделившееся из организма; W – произведённая работа; R – химически связанная энергия в экскретах и продуктах животноводства (молоке, яйцах, шерсти, мышечных или жировых отложениях).

Калорийность питательных веществ рациона определяют в специальном приборе – калометрической бомбе – замкнутой камере, погружённой в водяную баню, где пробы сжигаются в атмосфере чистого кислорода. Следует, однако, иметь в виду, что физическая (при сжигании в бомбе) и физиологическая тепловая ценность питательных веществ неодинакова. В организме калорийность пищевых веществ несколько снижается вследствие потерь при всасывании. Белки в организме окисляются не полностью; аминогруппы отщепляются от молекулы белка и выводятся с мочой в виде мочевины, содержащей запас энергии.

Контрольные вопросы:

1. Обмен энергии и обмен веществ

2. Превращение энергии в организме

3. Энергетический баланс организма