ОБМЕН ЭНЕРГИИ В ОРГАНИЗМЕ

Обмен веществ и энергии представляет собой совокупность процессов превращения веществ и энергии в живых организмах, а также обмен веществами и энергией между организмом и внешней средой. Обмен веществ и энергии включает процессы анаболизма и катаболизма.

Катаболизм — процессы расщепления органических молекул до конечных продуктов с выделением энергии (экзоэргические реакции). Диссимиляция - совокупность процессов расщепления сложных структурных элементов организма, в результате которых происходит образование энергии и конечных продуктов. Так, например, период полураспада белков печени составляет 10 дней. Ряд клеток стенок легких обновляется в течение 12 дней, клетки слизистой желудка - 6 дней.

Анаболизм – процессы биосинтеза, когда мономерные молекулы соединяются в макромолекулы с использованием энергии, освобождающейся при катаболизме (эндоэргические реакции). Ассимиляция - это совокупность процессов, направленных на обновление и образование структурных частей клеток и органов, накопления энергии, что необходимо для роста, развития и поддержания функциональных резервов.

Для сохранения гомеостаза необходимо постоянное поступление в организм кроме органических веществ и других компонентов: а)воды; б)витаминов; в)микроэлементов; г)газообразных веществ.

Энергетический баланс организма рассчитывается из соотношения между количеством поступившей в организм энергии и количеством энергии, которое расходуется в процессе жизнедеятельности и на фоне неизменной массы тела обеспечивает физическую активность, рост и обновление структур организма. В международной системе единиц (СИ) единицей энергии принят джоуль (Дж). Однако в медицинской практике используется оценка энергии в калориях (1 кал - 4,19 Дж).

ПРИХОД ЭНЕРГИИ

Организм человека получает энергию в виде химических связей питательных веществ. Сколько энергии приходит с пищей? Для определения количества энергии использовалась физическая калориметрия, когда измеряли тепло, выделяемого при сжигании пищевых веществ в специальных калориметрах (калориметрическая бомба Бертло). При окислении 1 г углеводов выделяется 4,1 ккал энергии/г, белков — 5,3 ккал/г, жиров — 9,3 ккал/г.

В организме при окислении углеводов и жиров образуется такое же количество энергии (как и при сжигании в калориметрической бомбе). Однако при окислении белков образуется только 4,1 ккал/г, так как в организме белки окисляются лишь частично, часть химической энергии белков теряется вместе с мочевиной и креатинином.

Высвобождающаяся в процессе биологического окисления энергия используется для синтеза АТФ и других макроэргов. В ходе гликолиза и гликогенолиза при превращении 1 моля глюкозы в 2 моля лактата образуется 2 моля АТФ; при аэробном окислении 1 моля глюкозы – 36 молей АТФ, при окислении 1 моля пальмитиновой кислоты – 91,8 моля АТФ. Однако при окислении 1 г углеводов только 22,7% энергии химических связей глюкозы используется на синтез АТФ, остальное выделяется в виде первичного тепла.

Макроэргические соединения

Большая часть энергии, выделяемая при катаболизме, идёт на образование связей между фосфорной кислотой и некоторыми органическими веществами. В одной связи макроэргических соединений содержится 10–12 ккал/моль энергии. Не все органические фосфаты принадлежат к этому классу, например, глюкозо-6-фосфат содержит в одной связи не более 2–3 ккал/моль.

АТФ является наиболее важным высокоэнергетическим фосфатом.

Креатинфосфат содержится в мышечных клетках, необходим для восстановления АТФ при начальных этапах мышечного сокращения.

Ацетилкоэнзим А — образуется из пирувата, необходим для образования длинноцепочечных жирных кислот.

Фосфоенолпируват в 2 раза более богат энергией, чем одна связь АТФ, является одним из ключевых продуктов обмена углеводов, в частности в процессах глюконеогенеза.

РАСХОД ЭНЕРГИИ

Аккумулированная в АТФ энергия используется для осуществления химической, механической, осмотической, электрической работы: трансмембранного переноса веществ, сокращения скелетных мыши, работы сердца, почек, желудочнокишечного тракта, в результате чего, в конечного итоге, выделяется вторичное тепло. Таким образом, если измерить все количество тепла, образовавшегося в организме за единицу времени, то это тепло является суммарной мерой энергии химических связей питательных веществ, окисленных за данный промежуток времени.

Энергетические затраты организма подразделяются на основной обмен, специфико-динамическое действие пищи и рабочую прибавку.

ОСНОВНОЙ ОБМЕН

Основной обмен – это энерготраты организма в условиях физиологического покоя – минимальный уровень окислительных процессов, необходимый для поддержания жизнедеятельности клеток и деятельности постоянно работающих органов и систем: дыхательной мускулатуры, сердца, почек, печени, а также для поддержанием мышечного тонуса. В ходе всех этих процессов освобождается тепловая энергия для поддержания температуры тела на постоянном уровне.

Интенсивность окислительных процессов зависит

• от пола, возраста, массы тела, роста, характера питания, мышечной работы, состояния эндокринных желез, нервной системы и внутренних органов: печени, почек, пищеварительного тракта и др.,
• а также от условий внешней среды (температура, барометрическое давление, влажность воздуха и его состав и т.д.).

Для определения основного обмена обследуемый должен находиться:

1) в состоянии мышечного покоя (положение лежа с расслабленной мускулатурой), 2) без эмоционального напряжения;

1. натощак, т. е. через 12–16 ч после приема пищи;
2. при внешней температуре «комфорта» (20°С), не вызывающей ощущения холода или жары.

Основной обмен определяют в состоянии бодрствования. Во время сна уровень окислительных процессов и, следовательно, энергетических затрат организма на 8– 10% ниже, чем в состоянии покоя при бодрствовании.

Нормальные величины основного обмена человека

Величину основного обмена обычно выражают количеством тепла в килоджоулях (килокалориях) на 1 кг массы тела или на 1 м² поверхности тела за 1 ч или сутки. Для мужчины среднего возраста (примерно 35 лет), среднего роста (примерно 165 см) и со средней массой тела (примерно 70 кг) основной обмен равен 4,19 кДж (1 ккал) на 1 кг массы тела в час, или 7117 кДж (1700 ккал) в сутки. У женщин той же массы он примерно на 10% ниже.

Интенсивность основного обмена, пересчитанная на 1 кг массы тела, у детей до 2-хлетнего возраста и в период полового созревания значительно выше, чем у взрослых. Величина основного обмена человека в возрасте 20—40 лет сохраняется на довольно постоянном уровне. Мужские половые гормоны повышают основной обмен на 10-15%. В пожилом возрасте основной обмен снижается.

Согласно формуле Дрейера, суточная величина основного обмена в килокалориях (Е) составляет: Е = W/(К*А^0,1333), где W — масса тела, г; А — возраст человека; К — константа, равная для муж-

чины 0,1015, а для женщины — 0,1129.

Существуют формулы и таблицы основного обмена, которые представляют средние данные, выведенные из большого числа исследований здоровых людей разного пола, возраста, массы тела и роста. Определение основного обмена, согласно этим таблицам, у здоровых людей нормального телосложения дают приблизительно верные (ошибка 5-8 %) величины затраты энергии.

На величину основного обмена влияют и другие факторы:

• состав тела. В массе тела выделяют два компонента: нежировую (метаболически активную) массу и жировую (метаболически пассивную) массу, поэтому увеличение жировых депо - снижает, а увеличение мышечной массы – увеличивает величину основного обмена;
• климатические условия. У жителей тропиков величина основного обмена равна 1500 ккал/сут, у жителей Арктики – 2800 ккал/сут;
• здоровье. Высокие показатели основного обмена наблюдаются при избыточной функции щитовидной железы. Понижение основного обмена встречается при недостаточности щитовидной железы (микседема), гипофиза, половых желез. Правило поверхности

Если пересчитать интенсивность основного обмена на 1 кг массы тела, то окажется, что у теплокровных животных разных видов и у людей с разной массой тела и ростом она весьма различна. Если же произвести перерасчет интенсивности основного обмена на 1 м² поверхности тела, то величины, полученные у разных животных и людей, различаются не столь резко. У теплокровных организмов, имеющих разные размеры тела, с 1 м² поверхности тела в окружающую среду рассеивается приблизительно одинаковое количество тепла. Поэтому, согласно правилу поверхности тела, затраты энергии теплокровными животными пропорциональны величине поверхности тела.

Ежедневная продукция тепла на 1 м² поверхности тела у человека 3559—5234 кДж (850-1250 ккал), средняя цифра для мужчин — 3969 кДж (948 ккал).

Для определения поверхности тела R применяется формула: R = К • W ^2/3.

Константа К у человека равна 12,3. Эта формула выведена на основании анализа результатов прямых измерений поверхности тела.

Более точная формула предложена Дюбуа:

R (см2) = W0. 425 * H 0.725 * 71,84,

где W — масса тела в килограммах, Н — рост в сантиметрах.

Правило поверхности верно не абсолютно. У двух индивидуумов с одинаковой поверхностью тела интенсивность обмена веществ может значительно различаться. Уровень окислительных процессов определяется не столько теплоотдачей с поверхности тела, сколько теплопродукцией, зависящей от биологических особенностей вида животных и состояния организма, которое обусловлено деятельностью нервной, эндокринной и других систем.

СПЕЦИФИЧЕСКОЕ ДИНАМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ПИЩИ

Прием пищи вызывает повышение обменных процессов и выделение тепловой энергии. При этом повышение энергетического обмена может возрастать на 10-12% от основного обмена и составлять 150-200 ккал. Повышение обмена наступает через 1,5-2,0 часа и достигает максимума через 2 часа после еды. Наибольшее повышение расхода энергии вызывает потребление белков. Повышение энергозатрат организма связано с затратами энергии на переваривание пищи, всасывание питательных веществ в ЖКТ, ресинтез белковых, сложных липидных и других молекул.

РАБОЧАЯ ПРИБАВКА (РАБОЧИЙ ОБМЕН)

– расход энергии в течение рабочего дня. Рабочий обмен связан с работой мышц. Так, сидение вызывает увеличение расхода энергии на 12%, стояние на 20%, быстрая ходьба - на 40-50%, бег на 400%. Энергозатраты организма возрастают при умственном труде только на 2-3%. Умственный труд, сопровождающийся легкой мышечной деятельностью, приводит к повышению энерготрат на 11-19%.

СПОСОБЫ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА

Оценка энергетического обмена осуществляется с помощью прямой и непрямой калориметрии. Прямая калориметрия производится в специальных камерах, где непосредственно оценивается выделенная организмом тепловая энергия.

При нeпрямoй кaлoриметрии определяют количество поглощенного кислорода и выделенной углекислоты. Эти методы основаны на том, что окисление белков, жиров и углеводов требует определенного количества кислорода и сопровождается выделением определенного количества углекислоты. Для оценки расходования энергии при непрямой калориметрии используют понятия калорический эквивалент и дыхательный коэффициент.

Калорическим эквивалентом кислорода называется количество тепловой энергии, которое освобождается при полном окислении вещества до углекислоты и воды при потреблении 1 литра кислорода.

Дыхательный коэффициент (ДК) — отношение объёма выделяемого CO₂ к объёму потребляемого O₂ в единицу времени. В состоянии физического покоя ДК для углеводов составляет 1,0, для жиров — 0,70. Эти результаты определяются тем, что водород и кислород находятся в углеводах в одинаковых соотношениях к образуемой воде, а в различных жирах требуется дополнительное количество O₂ для образования воды. Для белков ДК = 0,82.

Во время тяжёлой работы ДК составляет менее 0,7, т.к. не происходит полного окисления глюкозы и конечным продуктом является молочная кислота. После прекращения физической нагрузки ДК достигает 2,0, потому что к выдыхаемому углекислому газу добавляется CO₂, образуемый из молочной кислоты.

Определенная величина дыхательного коэффициента соответствует определенному количеству выделенной организмом тепловой энергии. Зная дыхательный коэффициент и характер потребляемой пищи, можно установить по специальным таблицам количество выделенной тепловой энергии (метод полного газового анализа).

Постоянство дыхательного коэффициента у людей со смешанным питанием (0,85-0,90) позволяет в ряде случаев при определении энергетического обмена определять только количество потребляемого кислорода при усредненном дыхательном коэффициенте (метод неполного газового анализа).

Длительное в течение суток определение газообмена позволяет высчитать валовый энергетический обмен человека. Ориентировочно эти вычисления можно сделать с помощью специальных таблиц.

Регуляция энергетического обмена осуществляется центральной нервной системой. Особенно большую роль играет гипоталамус, где находятся центры терморегуляции, центры голода и насыщения. Симпатическая нервная система повышает обмен веществ и энергетический обмен, парасимпатическая, наоборот, способствует его снижению. Увеличение энергетического обмена наблюдается под влиянием гормонов щитовидной железы и гормона мозгового слоя надпочечников - адреналина.