11

Енергетичний обмін та терморегуляція

За визначенням Ф. Енгельса, «життя є засіб існування білкових тіл, суттєвим моментом якого є постійний обмін речовин з навколишнім середовищем, причому з припиненням цього обміну припиняється життя, що призводить до розкладання білка». З біохімії ви знаєте, що в основі обміну речовин лежать складні фізико-хімічні реакції перетворення речовин та трансформації енергії. Розділ фізики термодинаміка вивчає властивості та перетворення енергії в термодинамічних системах.

Термодинамічна система – це тіло або сукупність тіл, що штучно виділені з навколишнього простору та характеризуються рядом параметрів – масою, температурою, внутрішньою енергією, ентропією тощо.

За визначенням М.В. Ломоносова, людина представляє собою відкриту термодинамічну систему, тобто таку, яка вільно обмінюється з зовнішнім середовищем речовинами, енергією та інформацієй. Згідно з першим законом термодинаміки (відкрив який також Ломоносов) енергія не утворюється з нічого і нікуди не зникає, а лише переходить з однієї форми в іншу, стосується і живих організмів. Отже існує енергетичний баланс між надходженням і витратами енергії.

Усі процеси життєдіяльності клітин здійснюються з використанням енергії. Вона витрачається на створення цілісності клітинних структур, підтримку іонних градієнтів, синтез білків de novo, забезпечення специфічної клітинної активності (скорочення м’язів, секрецію залоз). Універсальними носіями біологічної енергії в живих клітинах є так звані макроергічні сполуки (АТФ, креатинфосфат). Залишки 2 неорганічних фосфорів в них приєднані макроергичним зв’язком, при гідролізі якого вивільняється велика кількість енергії.

Основніми джерелами енергії є 3 групи поживних речовин, що надходять в організм з їжею – білки, жири, вуглеводи, які гідролізуються у травному каналі до амінокислот, моносахаридів, жирних кислот та гліцерину. Продукти гідролізу всмоктуються у системне кровоносне русло і транспортуються до клітин. Всередині клітин ці поживні речовини вступають у процеси метаболізму в обов’язковій присутності кисню.

Для будь-якої клітини можна виділити 3 метаболічні рівні:

1 – рівень активності – характеризується самою високою інтенсивністю процесів обміну при виконанні специфічної функції (на висоті секреції медіатора), катаболізм в даній ситуації переважає.

2 – рівень готовності – метаболічний рівень, який неактивна в даний момент клітина має підтримувати, щоб у будь-який момент бути готовою почати активно функціонувати (переважають процеси анаболізму).

3 – рівень підтримання цілісності – це та мінімальна інтенсивність метаболізму, якої досить для збереження клітинної структури та фізіологічної цілісності . Цей рівень має складати не менш ніж 15% від рівня активності, при меншої кількості клітина загине. Так, якщо при інтенсивній фізичній праці макроергів буде витрачено більше, ніж цей критичний рівень, то організм може не відновитися та загинути (випадки смерті спортсменів, що використовували допінг, затримуючий появу відчуття втоми).

Малюнок схеми тіла людини як відкритої термодинамічної системи

Методи вимірювання енергетичних витрат організму

Пряма калориметрія: це безпосереднє вимірювання тепла, що витрачає організм, за допомогою спеціальної камери – калориметра, який є ізольованою термодинамічною системою (не обмінюється з зовнішнім середовищем енергією). Застосовується переважно в експериментах, бо потребує тривалого часу перебування об’єкта в калориметрі.

Прикладом калориметра для хімічних речовин є калориметрична бомба, яка заповнюється поживними речовинами (вуглеводами, білками, або жирами), що спалюються. Бомба занурена у воду, зміна температури води становить міру утворення тепла. Таким чином виміряли енергетичну характеристику основних харчових речовин, вона становить для вуглеводів – 4,1 ккал/г, для білків – 4,1 ккал/г, для жирів – 9,3 ккал/г енергії.

Непряма калориметрія: заснована на вимірюванні кількості кисню, спожитого організмом за певний час, бо споживання кисню є необхідним для процесів метаболізму. Вироблення енергії в процесі метаболізму залежить від того, які речовини переважно окислюються, бо при цьому утворюється різна кількість енергії. Про те, окислення яких речовин здійснюється в організмі, свідчить величина дихального коефіцієнту (ДК).

ДК – це співвідношення об’єму вуглекислого газу (VСО₂), що виділений з організму, до об’єму спожитого кисню (VО₂):

ДК = (VСО₂)/(VО₂)

При окисленні вуглеводів він становить 1, ДК при окисленні білків – 0,82, ДК при окисленні жирів – 0,7.

Кількість тепла, що утворюється при повному згоранні поживної речовини до кінцевих продуктів (СО₂ та Н₂О) в атмосфері 1 л кисню, називають калоричним коефіцієнтом кисню (ККО₂). Він дозволяє розрахувати величину т.з. основного обміну людини.

Основний обмін (ОО) – це добові енергетичні витрати організму у стандартних умовах: вранці після пробудження, натще, лежачі, в емоційному спокої, при температурі комфорту. Фактично це та кількість енергії, яку організм витрачає на підтримання життєво важливих процесів, наприклад, скорочення дихальних м’язів, міокарду, підтримання іонних градієнтів тощо.

ОО вимірюють лише в стандартних умовах, тому що деякі чинники впливають на інтенсивність метаболізму: після вживання їжі інтенсивність метаболізму збільшується (специфічний динамічний вплив їжі), фізична робота та психічна діяльність також збільшують витрати енергії, зниження температури навколишнього середовища призводить до збільшення інтенсивності метаболізму в процесі терморегуляції, що також збільшує енергетичні затрати.

ОО = 1440*ККО₂ *кількість сп. О₂

Далі ОО порівнюють з його належними величинами (стандартним ОО), який визначають за таблицями Хариса – Бенедикта, та роблять висновок про інтенсивність метаболізму. При умові, що визначений ОО збігається зі стандартним ОО в межах +- 10%, його величина є нормальною, що свідчить про нормальну інтенсивність метаболізму.

Регуляція інтенсивності метаболізму здійснюється за участю нейрогуморальних механізмів, серед яких головними є медіатори симпато-адреналової системи катехоламіни та тиреоїдині гормони, які також стимулюють інтенсивність метаболізму. Зменшення ОО є свідченням зменьшенної кількості зазначених гуморальних чинників в крові пацієнта, збільшення ОО свідчить про підвищену кількість цих факторів.