Перетворення та використання енергії

Всі процеси життєдіяльності забезпечуються енергією за рахунок анаеробного та аеробного метаболізму. Отримання енергії без участі кисню, наприклад, гліколіз (розщеплення глюкози до молочної кислоти) називається анаеробним обміном. У ході анаеробного розщеплення глюкози (гліколізу) перетворення 1 моля глюкози приводить до утворення 2 молей АТФ. Але енергії, що утворюється при анаеробних процесах, недостатньо для здійснення активного життя. Реакції, що відбуваються за участю О₂, енергетично ефективніші. Вони називаються аеробним обміном. При них окислюються складні молекули, які включаються у цикл Кребса, і далі окислюються до СО₂ і Н₂О. Частина енергії, що вивільняється при окисленні, запасається у вигляді АТФ. Загальна кількість молекул АТФ, що утворюються при повному окисленні 1 моля глюкози до СО₂ і Н₂О , складає 36 молей.

При повному окисленні молекули жирів утворюється більша кількість молей АТФ, ніж при окисленні молекули вуглеводів. Динаміка хімічних перетворень, що відбуваються у клітинах, вивчається біологічною хімією. Завданням фізіології є визначення загальних витрат речовин і енергії організмом та адекватного поповнення їх за допомогою повноцінного харчування. Енергетичний обмін служить показником загального стану та фізіологічної активності організму.

Основні етапи обміну речовин та їх біологічне значення

Обміни жирів, білків і вуглеводів мають як специфічні, так і спільні закономірності. Загальні закономірності дозволяють виділити 3 етапи обміну будь-яких речовин:

1. перероблення харчових речовин в органах травлення;

2. проміжний обмін речовин;

3. утворення кінцевих продуктів метаболізму.

1-й етап обміну речовин полягає у послідовному розщепленні хімічних компонентів їжі у травному каналі під впливом ферментів до низькомолекулярних структур і наступне всмоктування простих продуктів у кров і лімфу.

2-й етап обміну речовин об’єднує перетворення моноструктур до структур, які є спільними для всіх видів обміну. До них належать молочна, піровиноградна кислоти, ацетил-коензим А тощо. У результаті обмін білків, жирів, вуглеводів зводиться до загального шляху – циклу Кребса, який відбувається у мітохондріях і в якому кінцеві продукти обміну розщеплюються завдяки окисненню. При цьому вивільняється енергія, яка зберігається у вигляді особливих хімічних сполук, що називаються макроергами (АТФ). В АТФ акумулюється 60-70% всієї енергії, що вивільняється у проміжному обміні поживних речовин. І лише 30-40% енергії перетворюється у теплову енергію та виділяється з організму у довкілля.

На 3-ому етапі азотовмісні продукти (кінцеві продукти білкового обміну) виділяються в основному з сечею, калом і в меншому обсязі через шкіру та її придатки. Інші продукти виводяться іншими шляхами.

Баланс енергії

Так як між організмом і довкіллям відбувається постійний обмін речовин і енергії, для медичної практики важливим є визначення балансу цієї енергії. Для цього необхідно порахувати скільки енергії отримано організмом з харчовими продуктами та які його енергетичні витрати.

Для оцінки прибутку енергії необхідно визначити калорійність харчових речовин, тобто їх енергетичну цінність, так як різні речовини мають різну калорійність. Остання підраховується, виходячи з калоричного коефіцієнту (КК) – кількості тепла, що виділяється при згоранні 1 г речовини. КК поживних речовин встановлюється шляхом спалювання їх у калориметричній бомбі Бертло - замкнутій камері, зануреній у водяну лазню. Точно зважену пробу поміщають у цю камеру, наповнену чистим О₂, і підпалюють. Кількість енергії, що виділилася визначається по зміні температури води, що оточує камеру.

Але треба врахувати, що при окисненні в організмі калорійність харчових речовин дещо нижча через втрати при всмоктуванні. Особливо це стосується білків, оскільки в організмі вони повністю не згорають.

Отже, величина теплопродукції є проявом величини обміну в організмі людини. Знаючи склад і кількість введеної їжі, легко вирахувати прихід енергії.

Для визначення кількості енергії, що витрачається організмом, застосовують пряму та непряму калориметрію.

Пряма калориметрія полягає у безпосередньому вимірюванні тепла, що виділяється організмом. Для цього тварина або людина поміщається у спеціальну герметичну камеру, у якій по трубах, що проходять через неї, протікає вода. Для обчислення теплопродукції використовуються дані про теплоємність рідини, її об’єм, що протікає через камеру за одиницю часу, і різницю температур між поступаючою в камеру та витікаючою рідиною.

Непряма калориметрія заснована на тому, що джерелом енергії в організмі є окислювальні процеси, при яких споживається О₂ і виділяється СО₂. Тому енерге-тичний обмін можна оцінювати, досліджуючи газообмін. Найбільш поширений спосіб Дугласа - Холдейна, при якому протягом 10-15 хв збирають у мішок з повіт-ронепроникної тканини (мішок Дугласа) повітря, що видихається обстежуваною людиною. Потім визначають об'єм цього повітря і процентний вміст у ньому О₂ і СО₂. По співвідношенню між кількістю виділеного СО₂ і кількістю спожитого за даний період часу О₂, тобто по дихальному коефіцієнту (ДК), можна встановити, які речовини окислюються в організмі. ДК при окисленні білків рівний 0,8, при окисленні жирів - 0,7, а вуглеводів - 1,0. Кожному значенню ДК відповідає певний калоричний еквівалент кисню, тобто та кількість тепла, яка виділяється при окисле-нні якої-небудь речовини на кожен літр поглинутого при цьому кисню. Кількість енергії на одиницю спожитого О₂ залежить від типу речовин, що окислюються в організмі. Калоричний еквівалент кисню при окисленні вуглеводів рівний 21 кДж на 1 л О₂ (5 ккал/л), білків - 18,7 кДж (4,5 ккал), жирів - 19,8 кДж (4,74 ккал).