Обмен энергией в организме. Обмен энергии в организме человека

Источником энергии в организме служат продукты гидролиза углеводов, жиров и белков, поступающие в организм. Освобождение же энергии в организме происходит в процессе диссимиляции (катаболизма), т. е. распада клеточных структур и соединений организма, которые синтезируются из питательных веществ, поступающих в кровь в результате пищеварения (гидролиза) пищевых продуктов и всасывания продуктов гидролиза в кровь. Различают основной и рабочий обмен.

А. Основным обменом называют минимальный расход энергии, обеспечивающий гомеостазис в стандартных условиях: при бодрствовании, максимальном мышечном и эмоциональном покое, нато-

щак (12 -16 ч без еды), при температуре комфорта (18° - 20°С). Основной обмен определяют в указанных стандартных условиях потому, что физическая нагрузка, эмоциональное напряжение, прием пищи и изменение температуры окружающей среды увеличивают интенсивность метаболических процессов в организме (расход энергии). Энергия основного обмена в организме расходуется на обеспечение жизнедеятельности всех органов и тканей организма, клеточный синтез, на поддержание температуры тела.

На величину должного (среднестатистического) основно го обмена здорового человека влияют следующие факторы: пол, воз-. раст, рост и масса тела (вес). На величину истинного (реального) основного обмена здорового человека влияют также условия жизнедеятельности, к которым организм адаптирован: постоянное проживание в холодной климатической зоне увеличивает основной обмен; длительное вегетарианское питание уменьшает. Величину должного основного обмена у человека определяют по таблицам, формулам, номограммам.

Для определения величины истинного основного обмена у человека используют метод Крога (неполный газовый анализ, см. раздел 12.3).

Величина основного обмена в сутки у мужчин составляет 1500 -ъ 1700ккал (6300- 7140 кДж); в расчете на 1 кг массы в сутки равна 21-24 ккал (88 - 101 кДж). У женщин эти показатели примерно на 10% меньше.

Показатели основного обмена при расчете на 1м 2 поверхности тела у теплокровных животных разных видов и человека примерно равны, при расчете на 1 кг массы сильно отличаются: чем мельче организм, тем больше расход энергии.

Б. Рабочим обменом называют совокупность основного обмена и дополнительного расхода энергии, обеспечивающего жизнедеятельность организма в различных условиях. Факторами, повышающими расход энергии организмом, являются: физическая и умственная нагрузка, эмоциональное напряжение, изменение температуры и других условий окружающей среды, специфическиди-намическое действие пищи (увеличение расхода энергии после приема пищи). При этом изменение температуры в интервале 15 -30°С существенно не сказывается на энергозатратах организма. При температуре ниже 15°С, а также выше 30°С расход энергии увеличивается. Повышение обмена веществ при температуре окружающей среды ниже 15° предотвращает охлаждение организма.

Расход энергии организмом после приема белковой и смешанной пищи увеличивается на 20 - 30%, после приема жиров и углеводов увеличивается на 10 - 12%.

Часть тепловой энергии, вырабатываемой организмом в процессе его жизнедеятельности, обеспечивает механическую работу. Для определения эффективности этого преобразования вводится понятие коэффициент полезного действия организма при мышечной работе - это выраженное в процентах отношение энергии, эквивалентной полезной механической работе, ко всей энергии, затраченной на выполнение этой работы. Коэффициент полезного действия (КПД) у человека при мышечной работе рассчитывают по фор-

муле: КПД = ---100%, где А - энергия, эквивалентная полезной

работе, С - общий расход энергии, е - расход энергии за такой же промежуток времени в состоянии покоя. КПД равен 20%.

В. Потребность организма в энергии (ккал в сутки) определяется видом трудовой деятельности (табл. 10.1).

Напомним, что питание должно быть сбалансированным - соотношение белков, жиров и углеводов 1:1, 2:4, 6, содержать достаточное количество воды, минеральных солей и витаминов.

Г. Исследование прихода энергии в организм. Основными методами определения количества энергии в навеске продукта являются: физическая калориметрия; физико-химические методики определения количества белков, жиров и углеводов в навеске с последующим расчетом содержащихся в них энергий по таблицам.

Сущность способа физической калориметрии заключается в следующем: в калориметре сжигают навеску продукта, а затем по степени нагревания воды и материала калориметра рассчитывают выделившуюся энергию. Количество тепла, выделившегося при сгорании продукта в калориметре, рассчитывают по формуле:

где О. - количество тепла, М - масса (в - воды, к - калориметра), (1 2 _ ^) ~ разность температур воды и калориметра после и до сжигания навески, С - удельная теплоемкость, 0 - количество тепла, образуемое окислителем.

Количество тепла, освобождаемое при сгорании 1 г вещества в калориметре, называют физическим калорическим коэффициентом, при окислении 1 г вещества в организме - физиологическим калорическим коэффициентом. Основанием для расчета прихода энергии в организм по количеству усвоенных белков, жиров и углеводов является закон термодинамики Гесса, который гласит: термодинамический эффект зависит только от теплосодержания начальных и конечных продуктов реакции и не зависит от промежуточных превращений этих веществ. При окислении в организме 1 г белков освобождается 4, 1 ккал(17, 2кДж), 1 г жиров -9, 3 ккал (38, 9 кДж), 1 г углеводов - 4, 1 ккал (17, 2 кДж). При сгорании в калориметре жиров и углеводов выделяется столько же тепла, сколько в организме. При сгорании белка в калориметре энергии выделяется несколько больше, чем в организме, так как часть энергии белка при окислении в организме теряется с мочевиной и другими веществами белкового обмена, которые содержат энергию и выводятся с мочой.

Чтобы рассчитать приход энергии в организм с пищей, химическим путем определяют содержание белков, жиров и углеводов в продуктах питания, умножают их количество на соответствующие физиологические калорические коэффициенты, суммируют и из суммы вычитают 10% - что не усваивается в пищеварительном тракте(потери с калом).

Д. Расход энергии организмом определяют с помощью прямой и непрямой калориметрии. Основными из этих методов являются следующие: прямая калориметрия - метод Этуотера - Бенедикта; непрямая, или косвенная, калориметрия - методы Крога, Шатерникова, Дугласа - Холдена.

Принцип прямой калориметрии основан на непосредственном измерении количества тепла, выделенного организмом.

Принцип работы и устройство камеры Этуотера - Бене дикта. Камера, в которую помещают испытуемого, термически изолирована от окружающей среды, ее стенки не поглощают тепло, внутри них находятся радиаторы, через которые течет вода. По степени нагрева определенной массы воды рассчитывают количество тепла, израсходованного организмом.

Принцип непрямой (косвенной) калориметрии основан на расчете количества выделившейся энергии по данным газообмена (поглощенный 0 2 и выделившийся С0 2 за,сутки). Количество выделяемой организмом энергии можно рассчитать по показателям газообмена потому, что количество потребленного организмом 0 2 и выделенного С0 2 точно соответствует количеству окисленных белков, жиров и углеводов, а значит, и израсходованной организмом энергии. Для расчета расхода энергии методом непрямой калориметрии используются дыхательный коэффициент и калорический эквивалент кислорода.

Дыхательным коэффициентом называют отношение объема выделенного организмом углекислого газа к объему потребленного за это же время кислорода. Величина дыхательного коэффициента зависит от соотношения белков, жиров и углеводов, окисляющихся в организме. Дыхательный коэффициент при окислении в организме белков равен 0,8, жиров - 0,7, углеводов -1,0. Дыхательный коэффициент для жиров и белков ниже, чем для углеводов, вследствие того, что на окисление белков и жиров расходуется больше 0 2 , так как они содержат меньше внутримолекулярного кислорода, чем углеводы. Дыхательный коэффициент у человека в начале интенсивной физической работы приближается к единице, потому что источником энергии в этом случае являются преимущественно углеводы.

В первые минуты после интенсивной и длительной физической работы дыхательный коэффициент у человека больше единицы, так как С0 2 выделяется больше, чем потребляется 0 2 , поскольку молочная кислота, накопившаяся в мышцах, поступает в кровь и вытесняет С0 2 из бикарбонатов.

Калорическим эквивалентом кислорода называют количество тепла, освобождаемого организмом при потреблении 1л 0 2 . Ве-

личина калорического эквивалента кислорода зависит от соотношения белков, жиров и углеводов, окисляющихся в организме. Калорический эквивалент кислорода при окислении в организме (в процессе диссимиляции) белков, жиров и углеводов равен: для белков - 4, 48 ккал (18,8 кДж), для жиров - 4,69 ккал (19,6 кДж), для углеводов - 5,05 ккал (21,1 кДж).

Определение расхода энергии по способу Дугласа - Холдена (полный газовый анализ) осуществляют следующим образом. В течение нескольких минут испытуемый вдыхает атмосферный воздух, а выдыхаемый воздух собирают в специальный мешок, измеряют его количество и проводят анализ газов с целью определения объема потребленного кислорода и выделившегося С0 2 . Рассчитывают дыхательный коэффициент, с помощью которого по таблице находят соответствующий калорический эквивалент 0 2 , который затем умножают на объем 0 2 , потребленного за данный промежуток времени.

Метод М. Н. Шатерникова для определения расхода энер гии у животных в эксперименте заключается в следующем. Животное помещают в камеру, в которую поступает кислород по мере его расходования. Выделяющийся при дыхании С0 2 поглощается щелочью. Расчет выделенной энергии осуществляется по количеству

потребленного 0 2 и усредненному калорическому эквиваленту 0 2: 4,9 ккал (20,6 кДж).

Определение расхода энергии по способу Крога (неполный газовый анализ). Испытуемый вдыхает кислород из мешка метабо-лиметра, выдыхаемый воздух возвращается в тот же мешок, предварительно пройдя через поглотитель С0 2 . По показаниям метабо-лиметра определяют расход 0 2 и умножают на калорический эквивалент кислорода в условиях основного обмена: 4,86 ккал (20,36 кДж). Таким образом, метод Дугласа - Холдена предполагает расчет расхода энергии по данным полного газового анализа; метод Крога - только по объему потребленного кислорода с использованием калорического эквивалента кислорода, характерного для условий основного обмена (рис. 10.1).

Изменение интенсивности выработки энергии в организме играет главную роль в процессах терморегуляции.

А. Основным обменом называют минимальный расход энергии, обеспечивающий гомеостазис в стандартных условиях: при бодрствовании, максимальном мышечном и эмоциональном покое, нато-

Щак (12 -16 ч без еды), при температуре комфорта (18° - 20°С). Основной обмен определяют в указанных стандартных условиях потому, что физическая нагрузка, эмоциональное напряжение, прием пищи и изменение температуры окружающей среды увеличивают интенсивность метаболических процессов в организме (расход энергии). Энергия основного обмена в организме расходуется на обеспечение жизнедеятельности всех органов и тканей организма, клеточный синтез, на поддержание температуры тела.

На величину должного (среднестатистического) основного обмена здорового человека влияют следующие факторы: пол, воз-. раст, рост и масса тела (вес). На величину истинного (реального) основного обмена здорового человека влияют также условия жизнедеятельности, к которым организм адаптирован: постоянное проживание в холодной климатической зоне увеличивает основной обмен; длительное вегетарианское питание уменьшает. Величину должного основного обмена у человека определяют по таблицам, формулам, номограммам.

Для определения величины истинного основного обмена у человека используют метод Крога (неполный газовый анализ, см. раздел 12.3).

Б. Рабочим обменом называют совокупность основного обмена и дополнительного расхода энергии, обеспечивающего жизнедеятельность организма в различных условиях. Факторами, повышающими расход энергии организмом, являются: физическая и умственная нагрузка, эмоциональное напряжение, изменение температуры и других условий окружающей среды, специфическиди-намическое действие пищи (увеличение расхода энергии после приема пищи). При этом изменение температуры в интервале 15 -30°С существенно не сказывается на энергозатратах организма. При температуре ниже 15°С, а также выше 30°С расход энергии увеличивается. Повышение обмена веществ при температуре окружающей среды ниже 15° предотвращает охлаждение организма.

Часть тепловой энергии, вырабатываемой организмом в процессе его жизнедеятельности, обеспечивает механическую работу. Для определения эффективности этого преобразования вводится понятие коэффициент полезного действия организма при мышечной работе - это выраженное в процентах отношение энергии, эквивалентной полезной механической работе, ко всей энергии, затраченной на выполнение этой работы. Коэффициент полезного действия (КПД) у человека при мышечной работе рассчитывают по фор-

муле: КПД = ---100%, где А - энергия, эквивалентная полезной

Для поддержания жизнедеятельности человеку требуется постоянный расход внутренней энергии. Процесс, ответственный за энергетические преобразования в организме человека называется обмен веществ.

Продукты питания снабжают человека химической энергией , которая, переходя в другие формы, согревает организм, поддерживает его жизнедеятельность и выполняет механическую работу (ходьба, поднятие грузов). Таким образом, вся наша энергия поставляется пищей или внутренними резервами (какой-то частью жировых запасов, участвующих в обмене веществ). Если вы поверили в закон сохранения энергии , то должны согласиться, что третьего выхода нет: либо нам надо потреблять достаточное количество пищи (и усваивать ее), либо «сжигать» собственный жир.

Человек не может выполнить ни добавочной работы без дополнительного питания, ни нормальной работы на пониженном рационе, если он не воспользуется собственными внутренними запасами жира, которые, в конечном счете, тоже накопились благодаря питанию. Соединяясь с кислородом, топливо-пища превращается в углекислый газ и воду. При «сжигании» пищи до углекислого газа и воды , в процессе обмена веществ освобождается определенное количество химической энергии независимо от характера промежуточных процессов.

Если бы это было не так, мы могли бы опровергнуть закон сохранения энергии , т. е. создали бы себе пищу с помощью одного процесса и потребляли бы ее в другом, который высвобождал бы больше энергии! Так что энергосодержание пищи можно измерить сжиганием ее образцов в лаборатории. Поэтому мы можем вычислить калорийность не только собственного рациона, но и рациона всего человечества. По выдыханию углекислого газа, мы можем определить количество топлива, сжигаемого при различного рода деятельности: ходьбе, ночном сне, игре в футбол, работе и т.п.

Тем самым мы можем определить «цену» жизни

Подобные испытания проводятся с помощью маски, надеваемой на лицо испытуемого; эта маска собирает выдыхаемый воздух за короткий период времени, газометром измеряется объем выдыхаемого воздуха, и анализ образца дает количество кислорода, которое заменилось на углекислый газ. Эти химические изменения за целый день дают нам полное количество пищи, «сожженное» испытуемым за время рабочего цикла, позволяя оценить расход внутренней энергии человеком.

Минимальный жизненный уровень, при котором поддерживается работа сердца, легких, минимум пищеварения, требует определенного количества энергии. Этот минимум энергии называется основным обменом веществ. В холодную погоду на нагревание тела требуется несколько больше энергии! Ходьба и другая умеренная деятельность предъявляют дополнительные требования, а усиленные упражнения требуют еще больше. При тяжелой физической работе мы должны потреблять гораздо большее количество пищи, чем это необходимо для самой работы, ибо к. п. д. нашего тела составляет только около 25%, а остальные 75% тратятся на теплоту.

Минимальный расход внутренней энергии для организма здорового человека составляет около 2000 Кал в день; плавание или футбол требуют дополнительно 500 Кал в час, а для 8 часов тяжелой физической работы требуется еще 2000 Кал в день. Так что грузчику нужно вдвое больше питания, чем бездельнику, хотя последний имеет то же телосложение; следовательно, и есть грузчик должен вдвое больше. Но, с другой стороны, студенту, усиленно изучающему математику, нужно столько же питания, сколько и тогда, когда он бьет баклуши. Умственный труд требует очень небольших немедленных затрат - ум искусен, но, по-видимому, не жаден. Возможно, он предъявляет свои счета позднее.

Всем нам, если мы не сидим в тюрьме, не лежим в постели, обленившись до крайности, необходимо дополнительное питание сверх минимального уровня. Истощенный человек с недостаточным рационом не может «вершить дела». Либо он должен жить спокойной жизнью и даже лежать в постели, либо он постепенно будет «съедать» самого себя.

Именно пища ставит предел росту численности населения планеты. В мире, как целом, всегда были большие группы людей, находящихся на грани истощения. Каждый раз, когда создавались машины, облегчающие добывание продуктов питания или другую работу, население возрастало до нового уровня, определяемого количеством продуктов питания и топлива. В настоящее время количество продуктов питания и топлива регулирует жизнь и определяет благосостояние планеты, хотя в будущем большую угрозу может представлять нехватка пресной воды. И если когда-нибудь удастся достигнуть обильного снабжения как сельского хозяйства, так и промышленности дешевой термоядерной энергией , то жить станет определенно лучше.

Просто о сложном – Энергия и обмен веществ в организме человека

Галерея изображений, картинки, фотографии.
Энергия и обмен веществ в организме человека – основы, возможности, перспективы, развитие.
Интересные факты, полезная информация.
Зеленые новости – Энергия и обмен веществ в организме человека.
Ссылки на материалы и источники – Энергия и обмен веществ в организме человека.