18.3.2. Параметры обмена веществ и энергии

В связи с разнообразием метаболических функций клеток выделяют три уровня метаболической активности:

•  уровень активного обмена;

•  уровень готовности, поддерживаемый каждой клеткой для сохранения способности к немедленному переходу из состояния покоя на уровень активности;

•  уровень поддержания - минимальная интенсивность обмена веществ, необходимая и достаточная для сохранения клеточных структур; при неудовлетворении этой потребности клетка погибает.

Уровни метаболизма следует учитывать при оценке нарушений энергетического обмена отдельной клетки, органа и организма в целом. Причины нарушения метаболизма различны: отравление, уменьшение скорости тока крови, транспорта кислорода и др. Уровень обмена веществ организма в целом отличается от уровня метаболизма клетки или отдельного органа. Так, если метаболизм дыхательных мышц, сердца, почек, головного мозга со свойственного им в норме постоянного уровня активности снизится до уровня готовности, то эти жизненно важные органы потеряют активность, и организм погибнет.

Прекращение энергоснабжения, однако, не вызывает немедленного нарушения функций клеток вследствие наличия энергетического резерва, различного для разных органов. Так, в результате полной ишемии (отсутствия артериального кровоснабжения) головного мозга уже через 10 с наступает бессознательное состояние, а через 3-8 мин в нейронах возникают необратимые повреждения. Если же в такую ситуацию попадёт скелетная мышца, находящаяся в состоянии покоя, обменные процессы в ней остаются на уровне поддержания в течение 1-2 ч.

Интенсивность процессов обмена веществ подвержена суточным колебаниям: она высока утром и снижается ночью. Интенсивность метаболизма повышается во время приёма пищи и её переваривания (специфическое динамическое действие пищи). Она возрастает, если температура окружающей среды отклоняется от комфортной, причём больше - при понижении температуры.

Интенсивность обмена веществ возрастает при физической нагрузке, поэтому многие виды работы можно классифицировать по затраченным усилиям, а нагрузки нормировать с помощью показателей энергетического обмена. При кратковременных нагрузках используется энергия окисления углеводов. При длительных нагрузках расщепляются преимущественно жиры (80% энергии).

Интенсивность обменных процессов резко увеличивается после травм, ожогов, при высокой температуре тела, при гипертиреозе; понижается - при гипотиреозе.

18.3.3. Методы измерения затрат энергии

Энергетические затраты организма можно измерить, например, по количеству тепла, отдаваемого им во внешнюю среду, или по количеству поглощённого кислорода.

Традиционно энергетический обмен выражают в килокалориях (ккал) в единицу времени. Однако в международной системе единиц (СИ) в качестве основной единицы энергии принят джоуль (Дж). Джоуль определён как работа, совершаемая при мощности в 1 Вт в течение 1 с: 1 Дж=2,39х10-4 ккал; 1 ккал=4 187 Дж=4,187 кДж.

Если клетка совершает внешнюю работу, то, согласно второму закону термодинамики, часть вырабатываемой при этом энергии обязательно выделяется в виде тепла. Коэффициент полезного действия функционирующей клетки - часть энергии, затрачиваемая на внешнюю работу. Величина коэффициента полезного действия всегда меньше 100%: например, при мышечной работе целого организма его величина редко превышает 25%.

Интенсивность обмена веществ измеряют методом непрямой калориметрии - методом неполного газового анализа, основанного на расчёте энергозатрат по количеству кислорода, поступающего в организм через лёгкие и использованного для окисления жиров и углеводов. Сначала определяют объём лёгочной вентиляции, затем - количество поглощённого кислорода и выделенного углекислого газа. Отношение объёма выделенного углекислого газа к объёму погло- щённого кислорода называют дыхательным коэффициентом. По его величине можно судить о типе пищевых продуктов, используемых в обмене веществ, а также можно рассчитать энергетическую ценность окисляемого продукта.