Лекция № 12(11) Обмен веществ и энергии. Терморегуляция. Обмен энергии и терморегуляция

В основе процессов обмена энергии лежат законы термодинамики – 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:

• Во-первых, они обмениваются с окружающей средой веществом и энергией;

• Во-вторых, способны в течение определенного времени удерживать свои основные параметры, но вместе с тем под влиянием внешней среды переходить из одного стационарного состояния в другое в пределах колебаний жизненно важных констант, допустимых для сохранения жизни;

• В-третьих, в организме создаются условия для неравновесного распределения вещества и энергии между живыми системами и окружающей средой.

Принцип устойчивого неравновесия живых систем (Бауэр, 1935) гласит: «Живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии».

Законы термодинамики

Первый закон термодинамики – закон сохранения и превращения энергии (Ломоносов М.В., 1748)

Энергия не исчезает и не творится вновь, а только переходит из одной формы в другую: механическая работа, кинетическая энергия и теплота могут превращаться друг в друга.

В 1783 г. А. Лавуазье и П. Лапас показали, что первый закон термодинамики приложим к живым организмам.

Второй закон термодинамики (Больцман, 1880) гласит:

Если любой вид энергии можно трансформировать в эквивалентное количество тепла, то в случае обратного превращения полная трансформация невозможна.

Единицы измерения энергетического обмена. Энергетические затраты учитывают по количеству тепла, выделяемого организмом в единицу времени. Единицей измерения энергии в Международной системе единиц (СИ) является джоуль (Дж) или килоджоуль (кДж). В физиологических и медицинских исследованиях для определения количества энергии, выделенной организмом, используют внесистемные единицы – калорию (кал) или килокалорию (ккал); 1 кал = 4,19 кДж. Калория – количество энергии (тепла), необходимое для повышения температуры 1г воды на 1°С.

Энергетическая ценность питательных веществ. Сложные органические молекулы, окисляясь в присутствии кислорода (аэробное окисление) до двуокиси углерода и воды, выделяют заключенную в их химических связях энергию.

При сжигании 1 г белка выделяется 4,0 ккал тепла; 1 г углеводов – 4,0 ккал; 1 г жиров – 9,0 ккал. Это – физический энергетический эквивалент указанных веществ.

Основной обмен

Основной обмен – минимальное количество энергии, необходимое для обеспечения нормальной жизнедеятельности в условиях относительного физического и психического покоя. Эта энергия расходуется на процессы клеточного метаболизма, кровообращения, дыхание, выделение, поддержание температуры тела, функционирования жизненно важных нервных центров мозга, постоянную секрецию эндокринных желез.

• Печень потребляет 27% энергии основного обмена;

• Мозг – 19%;

• Мышцы – 18%;

• Почки – 10%;

• Сердце – 7%;

• Все остальные органы и ткани – 19%.

Любая работа – физическая или умственная, а также прием пищи, колебания температуры окружающей среды и другие внешние и внутренние факторы, изменяющие уровень обменных процессов, влекут за собой увеличение энерготрат.

Поэтому основной обмен определяют в строго контролируемых, искусственно создаваемых условиях: утром, натощак (через 12-14 ч после последнего приема пищи), в положении лежа на спине, при полном расслаблении мышц, в состоянии спокойного бодрствования, в условиях температурного комфорта (18-20°С). За 3 сут. До исследования из рациона исключают белковую пищу. Выражается основной обмен количеством энергозатрат из расчета 1 ккал на 1 кг массы тела в час.

Факторы, определяющие величину основного обмена. Основной обмен зависит от возраста, роста, массы тела пола человека. Самый интенсивный основной обмен в расчете на 1 кг массы тела отмечается у детей (у новорожденных – 53 ккал/кг в сутки, у детей первого года жизни – 42 ккал/кг). Средние величины основного обмена у взрослых здоровых мужчин составляют 1300-1600 ккал/сут; у женщин эти величины на 10% ниже. Это связано с тем, что у женщин меньше масса и поверхность тела.