9

Лекция 11

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

П Л А Н:

1. Понятие об обмене веществ и энергии

2. Методы исследования энерготрат

3. Основной обмен энергии, понятие о потреблении кислорода,

кислородном долге и МПК

4. Расход энергии при различных видах трудовой и спортивной

деятельности

5. Регуляция обмена веществ и энергии

1. ПОНЯТИЕ ОБ ОБМЕНЕ ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. Для нормальной жиз­недеятильности организмам приходится непрерывно затрачивать энер­гию (снабжать ею работающие органы), необходимо непрерывно под­держивать целостность структуры, заменяя выходящие из строя эле­менты, удалять "осколки" отмирающих клеток, отводить в окружаю­щую среду тепло и "отходы" жизнедеятельности. Эти процессы иногда идут весьма интенсивно - например, мощность работающей нервной клетки составляет около 0,123 Вт/г, каждый эритроцит в крови тре­бует замены через 3-4 месяца работы, период полуобновления клеток в печени равен двум суткам. Поэтому поддержание жизни требует непрерывного расхода энергии и вещества.

Согласно первому закону термодинамики, энергия не исчезает и не возникает вновь. Организмы должны получать энергию в доступной для них форме из окружающей среды и возвращать в среду соответс­твующее количество энергии в форме, менее пригодной для дальней­шего использования.

Расход веществ и энергии восполняется в организме за счёт воды, пищи и кислорода, которые поступают в него извне. За сорок лет жизни через организм взрослого человека проходит около 40 тонн воды, 6 тонн пищи и более 8 млн. л. (около 12 т.) кислорода.

Обмен веществ (метаболизм) - совокупность химических и физи­ческих превращений, происходящих в живом организме и обеспечиваю­щих его жизнедеятельность во взаимосвязи с окружающей средой сос­тоит из процессов ассимиляции и диссимиляции.

За счёт ассимиляции происходит накопление пластических ве-

ществ, идущих на формирование тканей организма, и происходит на­копление энергетических веществ.

За счёт диссимиляции совершается распад химических веществ, разрушение тканей и происходит освобождение энергии из энергети­ческих веществ, накопленных при ассимиляции.

Суть метаболизма состоит в поступлении из внешней среды раз­личных веществ, в усвоении и использовании их в процессе жизнеде­ятельности, как источников энергии и материала для построения структур организма и выделении продуктов обмена во внешнюю среду.

Выделяют четыре специфические функции обмена:

1. Извлечение энергии из окружающей среды в форме химической энергии органических веществ;

2. Превращение экзогенных веществ в макромолекулярные компо­ненты клетки;

3. Сборка белков, нуклеиновых кислот, жиров и других клеточ­ных компонентов;

4. Синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы специфической функции данной клетки.

Большая часть попадающих в организм веществ превращается там в энергию. Эта часть особенно велика у организмов, поддерживающих постоянную температуру тела - у гомойотермных животных, к которым относится и человек.

Освобождение энергии в организме происходит в результате сложных химических реакций превращения белков, жиров и углеводов при участии биологических катализаторов - ферментов.

Использование, освобожденной таким путем, химической энергии в организме называют энергетическим обменом: именно он служит по­казателем общего состояния и физиологической активности организма.

Для характеристики энергетического обмена используется такой показатель, как ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС - соотношение между коли­чеством энергии (потенциальной) поступающей в организм и величи­ной энергетических трат.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС может быть:

А. ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ БАЛАНС - наблюдается при избыточном питании (поступление энергии превышает ее расход, накопление энергетичес­ких веществ, прежде всего жира);

Б. ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ БАЛАНС - наблюдается при недостаточном пи­тании, интенсивных тренировках (превышение расхода энергии над ее поступлением);

В. НУЛЕВОЙ БАЛАНС - наблюдается при сбалансированном питании (расход равен поступлению энергии).

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОТРАТ. Практически вся энергия, расходуемая организмом, в конечном итоге обращается в тепло. Так, сердце при сократительной деятельности тратит на перемещение кро­ви только 7 % энергии, остальные 93 % превращаются в тепло. Но и эти 7 % "запасенные" в виде кинетической энергии потока крови, спустя какие-нибудь двадцать секунд также переходят в тепло.

Исходя из этого, измеряя количество тепла, рассеиваемого ор­ганизмом, можно определить его энергетические затраты, а по ним - и потребность организма в энергии. Такая оценка оказывается дос­таточно полной потому, что вся энергия в организме запасается и расходуется в единственной форме - в виде молекул АТФ.

Различают методы прямой и косвенной калориметрии.

А. МЕТОД ПРЯМОЙ КАЛОРИМЕТРИИ заключается в измерении количества тепла выделяемого организмом.

Впервые этот метод был использован в 1788 году ЛАВУАЗЬЕ и ЛАПЛАСОМ на животных. В их опытах животные помещались в камеру, окруженную рубашкой со льдом и изолирующим слоем при температуре 0^ОС. Поскольку тепло не может поступать извне, любое прибавление его в ледяной рубашке происходило за счет теплопродукции в орга­низме животного.

В современных системах прямой калориметрии, ледяная рубашка заменена циркулирующей жидкостью.

Для вычисления теплопродукции используются данные о теплоем­кости жидкости, общем ее объеме, и разности температур поступаю­щей в камеру и оттекающей жидкости.

Прямая калориметрия применяется редко в связи с дороговизной и трудностью измерения с высокой точностью при отсутствии сложной аппаратуры.

Б. В этом плане определенными преимуществами обладают методы НЕПРЯМОЙ (КОСВЕННОЙ) КАЛОРИМЕТРИИ. Они достаточно точны, дешевы и легко осуществимы.

После того как было выяснено, что освобождение энергии в ор­ганизме является следствием окислительных процессов, и чем интен­сивнее они протекают, тем больше поглощается кислорода и выделя­ется углекислоты, было предложено судить о величине энергетичес­кого расхода по количеству поглощаемого кислорода и образующейся углекислоты.

Этот метод получил название РЕСПИРАТОРНОЙ КАЛОРИМЕТРИИ. Исходным моментом РЕСПИРАТОРНОЙ КАЛОРИМЕТРИИ является то, что каждому израсходованному литру кислорода соответствует ЭКВИ­ВАЛЕНТНОЕ КОЛИЧЕСТВО ОСВОБОЖДАЕМОЙ ЭНЕРГИИ.

Это эквивалентное количество энергии определяется величиной КАЛОРИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТА КИСЛОРОДА (К Э К).

КЭК - называется количество энергии, освобождаемое при ис­пользовании 1 литра кислорода.

В разработке этого метода принимали участие Сеченов, Шатер­ников, Пашутин, Холден, Дуглас и другие.

При этом методе производят газоанализ выдыхаемого воздуха с определением объема поглощения кислорода и объема выделения угле­кислоты. Количество энергии на единицу потребляемого кислорода зависит от типа окисляющихся в организме веществ.

Углеводы дают около 5,0 ккал/л,

Белки - 4,8 ккал/л,

Жиры - 4,7 ккал/л.

Вследствие этого для перевода измеренных количеств поглощае­мого кислорода в энергетический эквивалент должен быть известен тип "топлива".

Такую информацию дает определение ДЫХАТЕЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА, отношения выделяемой углекислоты к потребляемому кислороду:

ДК = VСО₂ / VО₂.

Величина дыхательного коэффициента зависит от состава окис­ляемых веществ. ДК при окислении углеводов равен - 1,0; белков - 0,8; а жиров - 0,7.

По величине ДК находят энергетический эквивалент 1 литра кислорода по специальной таблице. Затем определяют интенсивность энергетического обмена переводя объем поглощенного кислорода в количество энергии.

Другой косвенный метод - НЕПРЯМАЯ АЛИМЕНТАРНАЯ КАЛЛОРИМЕТРИЯ, основан на энергетическом анализе пищевых рационов.

Известно, что сгорание

1 Г углеводов дает - 4,1 ккал;

1 Г белка - 4,1 ккал,

1 Г жиров - 9,3 ккал.

Исходя из этого определяют калорийность принимаемой пищи, и судятпо ней об энергозатратах.

Однако в организме поступление пищевых веществ и расход энергии не всегда сбалансирован, что ведет к ошибкам при исполь­зовании этого метода. Недостатком этого метода является и то, что необходимы длительные отрезки времени для его использования.

Еще один косвенный метод - МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ЭНЕРГИИ ПО ТАБЛИЦАМ, НОМОГРАММАМ И ФОРМУЛАМ. В этом случае расход энергии определяется в зависимости от веса, пола, роста и возраста.

3. ОСНОВНОЙ ОБМЕН ЭНЕРГИИ, ПОНЯТИЕ О ПОТРЕБЛЕНИИ КИСЛОРОДА, КИСЛОРОДНОМ ДОЛГЕ И МПК. Интенсивность энергетического обмена значительно варьирует и зависит от многих факторов.

В зависимости от уровня активности организма и внешней среды различают ТРИ УРОВНЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА:

1. Основной обмен,

2. Обмен в состоянии относительного покоя,

3. Энерготраты при физической работе.

ОСНОВНОЙ ОБМЕН (ОО) - это минимальное количество энергии, затрачиваемой на поддержание жизни, т.н. базовый уровень жизнедеятельности.

Более подробно ОСНОВНОЙ ОБМЕН может быть определен как энер­гетические затраты, необходимые для поддержания основных физиоло­гических функций организма при нормальной температуре тела и тем­пературе окружающей среды 20^о в состоянии физического и психичес­кого покоя, через 12-14 часов после приема пищи.

Это определение предопределяет и условия измерения ОСНОВНОГО ОБМЕНА:

Условия измерения основного обмена

1. Утром,

2. Натощак (через 12-16 часов после приема пищи),

3. При температуре комфорта (18-22оС),

4. В положении лежа,

5. В состоянии психического покоя

Эти стандартные условия измерения ОО отражают и основные факторы, влияющие на интенсивность обменных процессов у человека:

1. Интенсивность обменных процессов подвергается суточным

колебаниям - она возрастает утром и снижается ночью;

2. В условиях физической и умственной нагрузки интенсивность обмена возрастает;

3. Потребление питательных веществ и их переваривание повы­шает обмен, особенно если потребляется белок. Это называют СПЕЦИ­ФИЧЕСКИМ ДИНАМИЧЕСКИМ ДЕЙСТВИЕМ ПИЩИ. Это действие продолжается 12-16 часов. Белковая пища может повышать обмен на 30 %, смешан­ная пища - на 4-15 %;

4. Изменения температуры окружающей среды изменяет интенсив­ность обмена. Охлаждение вызывает изменения в большей степени, чем перегревание.

5. Изменение атмосферного давления - снижение барометричес­кого давления вызывает некоторое повышение обмена;

6. Возраст - у взрослого человека уровень основного обмена в среднем составляет 1500-1800 ккал. У детей основной обмен выше (интенсивнее окислительные процессы). В возрасте от 20 до 40 лет основной обмен стабилен, а в пожилом возрасте - снижается.

7. Пол - у мужчин основной обмен на 10 % выше, чем у женщин.

МЫШЕЧНАЯ РАБОТА существенно изменяет интенсивность обмена, он может иногда увеличиваться в 20 раз по сравнению с уровнем ос­новного обмена (ОО).

При этом увеличивается и ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА - объем утилизируемого организмом кислорода в единицу времени.

Если в условиях покоя в условиях покоя потребление кислорода равно 0,2 - 0,4 л/мин, то при работе оно увеличивается в несколь­ко раз, и при критических мощностях может достигать своего макси­мума - достигая индивидуального "кислородного потолка" - т.н. максимального потребления кислорода (МПК).

МПК - это наибольшее количество кислорода, которое организм в состоянии утилизировать во время интенсивной мышечной работы.

МПК является интегральным показателем функций кардиореспираторной системы, свидетельствующий о высшей границе уровня окислительного процесса (М.Я.Горкин и др., 1973).

Величина МПК характеризует аэробную мощность - способность расходовать энергию на мышечную работу за счет аэробных процес­сов. Уровень МПК у данного лица зависит от его физического разви­тия, обусловленного как врожденными факторами, так и условиями жизни. МПК увеличивается под влиянием систематической физической тренировки и уменьшается при "сидячем" образе жизни. Поскольку МПК зависит от размеров (массы) тела, для различных сопоставлений удобно относить результаты измерений этого показателя к массе те­ла и выражать их в миллилитрах потребления кислорода в минуту на 1 кг массы тела.

В практике, в процессе тренировки иногда важно знать на ка­ком аэробном уровне производится та или иная работа, допустим в % от МПК. Для этого можно использовать определенную взаимосвязь уровня аэробной производительности и частоты сердечных сокраще­ний. Зная уровень ЧСС, можно приблизительно предсказать и уровень развертывания аробного механизма.