Министерство здравоохранения Украины Днепропетровская государственная медицинская академия

кафедра нормальной физиологии

проф. Е.А.Макий, доц. А.В.Мозгунов, доц. А.Г.Родинский

ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ. ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ПИТАНИЯ

ПОСОБИЕ ДЛЯ ИНОСТРАННЫХ СТУДЕНТОВ

Под редакциеи проф. Панеруша

Днепропетровск - 2006

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ

1. Общее понятие об обмене веществ и энергии. Метаболизм как основа жизнедеятельности. Уровни метаболизма

Обмен веществ и энергии — совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящий в живых организмах, а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой.

Обмен веществ и энергии представляет собой основу жизнедеятельности и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от не живого. В процессе обмена поступившие в организм вещества путем химических изменений превращаются в собственные вещества тканей и в конечные продукты, которые выводятся из организма. При этих химических превращениях освобождается или поглощается энергия.

Метаболизм (обмен веществ) представляет собой сложный процесс, которой выполняет 4 основных специфических функции:

1)извлечение энергии из окружающей среды и преобразование ее в энергию химических соединений; количество этой энергии должно обеспечивать все энергетические потребности клеток;

2)образование из веществ, приходящих из внешней среды, промежуточных соединений, предшественников макромолекул;

3)синтез белков, нуклеиновых кислот, углеводов и других компонентов клеток из этих предшественников;

4)синтез и разрушение специальных биомолекул для выполнения специфических функций данной клетки (сокращение, секреция и т.д.)

Для каждой клетки можно выделить 3 метаболического уровня:

1) - уровень поддержания целостности — интенсивность обмени минимальная, необходимая для сохранения целостности клетки (не менее 15 % уровня активности);

2)-уровень готовности - метаболический уровень, который клетка должна поддерживать, чтобы в любой момент начать функционировать;

3) - уровень активности - интенсивность процессов обмена при выполнении специфической функции клетки. Общее представление о характере обмена веществ и энергии, уровнях метаболизма дает рис.4, А-В.

2.Обмен энергии как основное условие гомеостаза, законы термодинамики при исследовании процессов энергообмена

Энергетический обмен происходит по двум основным законам:

1-ый закон термодинамики Гельмгольца, Томсона и Клазиуса:

«Если теплота превращается в работу, то количество работы.

ЭНЕРГИТИЧЕСКИЙ ОБМЕН ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС: Образование Э. = Э. работы + Э.теплопотерь + + Э.запас. УРОВНИ ИНТЕНСИВНОСТИ ЭНЕРГООБМЕНА КЛЕТКИ: 1) Уровень поддержания целостности 2) Уровень функциональной готовности клетки — 50% 3)Уровень функциональной активности клетки — 100%

произведенной системой, эквивалентно количеству поглощенного тепла»

Рис.1. А - Общее представление об обмене веществ; В - энергетический обмен, энергетический баланс; В-диаграмма, характеризующая различные уровни интенсивности клеточного обмена веществ: уровень активности, уровень готовности и уровень поддержания целостности (указано примерное соотношение между уровнями в процентах).

Иными словами, это закон сохранения и превращения энергии.

• закон Гесса

«Тепловой эффект процесса, развивающегося через ряд последовательных стадий, зависит от теплосодержания начальных и конечных продуктов химической реакции, но не зависит от путей их химических превращений». Закон Гесса объединяет обмен веществ и обмен энергии.

Согласно первому закону термодинамики живая клетка представляет собой неравновесную открытую стационарную систему.

Открытыми эти системы называются, потому что они обмениваются со средой, как энергией, так и веществом, при этом преобразуют и то, и другое.

Неравновесными эти системы называются вследствие того, что они не находятся в равновесии с окружающей средой.

Стационарное состояние объясняется постоянством химического состава при этом стационарность определяется тем, что скорость переноса вещества и энергии в систему точно уравновешивается скоростью переноса веществ из системы в среду.

Между обменом веществ и обменом энергии существует принципиальное отличие.

Земля не теряет и не получает сколь-нибудь заметного количества вещества, т.к. вещества в биосфере обмениваются по замкнутому циклу, т.е. используются многократно.

Обмен энергии осуществляется иначе - она не возвращается целиком по замкнутому циклу, а частично рассеивается во внешнее пространство (в виде теплоты при работе). Поэтому для поддержания жизни на земле необходим постоянный приток энергии Солнца.

Примером рассеивания тепла в пространстве является относительно не высокий к.п.д. мышцы (приблизительно 25%; остальная энергия рассеивается в виде тепла). Это связано с выделением теплоты при синтезе макроэргов ЛТФ (первичное тетю) и во время сокращения мышцы (вторичное тепло).

3.Общие принципы определения энергетических затрат организма

Приведенные выше законы сохранения вещества и энергии послужили теоретической основой для разработки методов исследования энергетических затрат организма - установления баланса, т.с. определения количества энергии и веществ, поступающих в организм и покидающих его в форме тепла и конечных продуктов обмена.

Для оценки содержания белка в пище и продуктов его распада достаточно определить количество азота.

Определение содержания липидов и углеводов в пищевых продуктах требует специальных методов; конечными же продуктами распада и липидов, и углеводов является исключительно СО2 и вода.

Баланс энергии определяют на основании калорийности вводимых пищевых веществ и выделенного тепла, которое может быть измерено или рассчитано.

При этом надо учитывать, что калорийность веществ, определяем и физическими методами (сжигание веществ в «калориметрической бомбе») несколько меньше, чем физическая калорийность.

1. Энергетическая ценность питательных веществ (физическая и физиологическая)

Зная состав пищевых продуктов, можно вычислить энергетическую ценность питательных веществ; при этом используют т.н. калорические коэффициенты питательных веществ.

Калорическим или тепловым коэффициентом называется количество тепла, освобожденное при окислении 1г питательного вещества в организме (iфизиологическая калорийность).

При окислении:

- 1г углеводов выделяется 17,16 кДж/г (4,1 ккал/г)

-1г жиров -38,94 кДж/г (9,3ккал/г)

-1г белков-17,17кДж/г(4,1ккал/г).

Определение физической калорийности производят с помощью калориметрической бомбы Бертло — герметически закрытого сосуда погруженного в воду. В бомбе производят сжигание исследуемого вещества в атмосфере чистого кислорода. Определяют (по температуре воды) количество освобожденного тепла.

Физиологическая и физическая калорийность для углеводов и жиров равны. У белка физическая калорийность несколько выше, чем при окислении в организме (22,61 кДж/г—5,6 ккал/г). Это связано с тем, что из организма выделяются продукты распада белков (мочевина), которые содержат некоторое количество энергии. Калорическая ценность и состав некоторых пищевых продуктов представлены на рис.2.