Методы прямой и непрямой калориметрии.

Для определения энергозатрат организма измеряют количество теплоты, отдаваемой им в окружающую среду, двумя основными методами: прямой и непрямой калориметрией.

Для прямой калориметрии используют специальные биокалориметры (первый калориметр был создан в конце XIX века академиком В.В.Пашутиным, более совершенной является модель биокалориметра Этуотера-Бенедикта). Биокалориметр представляет собой герметичную теплоизолированную камеру, в стенах которой вмонтированы трубки с циркулирующей в них водой. По количеству протекающей воды и изменению её температуры рассчитывают количество выделенного организмом тепла. Определение энергозатрат методом прямой калориметрии довольно точное, но эта методика громоздкая и сложная.

Метод непрямой калориметрии основан на исследовании газообмена. Установлено, что между объёмом потребляемого О₂ и энергозатратами обычно имеется линейная зависимость. Существуют закрытые и открытые методы непрямой калориметрии. Каждый из этих методов может выполняться с использованием полного и неполного газового анализа.

Закрытые методы проводятся в специальных закрытых респираторных камерах (респираторный аппарат Шатерникова). Наиболее распространённым является метод открытой непрямой калориметрии. Это некамерный метод, во время которого определяется газообмен кратковременно. 

Непрямая калориметрия с полным газовым анализом (метод ДугласаХолдена) производится в четыре этапа.

1. Определение объёма поглощённого кислорода и выделенного СО₂. Вначале производится анализ выдыхаемого воздуха в газоанализаторе. Затем объём поглощённого О₂ и выделенного СО₂ вычисляется при сравнении выдыхаемого воздуха с атмосферным. На этом же этапе определяется общее количество поглощённого кислорода за единицу времени.

2. Определение дыхательного коэффициента. Дыхательный коэффициент равен отношению объёма выделенного СО₂ к объёму поглощенного О₂. Величина дыхательного коэффициента при окислении углеводов, белков и жиров различна и равна соответственно 1,0; 0,8; 0,7. Например, при использовании организмом глюкозы число молекул образовавшегося СО₂ равно числу молекул поглощённого О₂:

 

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О.

 

При использовании смешанной пищи дыхательный коэффициент составляет 0,85. Во время мышечной работы этот коэффициент повышается, приближаясь к единице, так как основным источником энергии при интенсивной мышечной деятельности является окисление углеводов. Сразу после работы дыхательный коэффициент резко увеличивается (выше единицы). Это связано с тем, что во время работы в мышцах накапливается лактат, на окисление которого не хватало кислорода (кислородный долг). Лактат, поступая в кровь, вытесняет СО₂ из гидрокарбонатов, присоединяя основание. В результате этого количество выделяемого СО₂ увеличивается. А затем лактат уходит из крови (часть окисляется, часть ресинтезируется в гликоген, часть выделяется с мочой и потом), при этом освобождаются основания, которые были отняты у гидрокарбонатов. Эти основания вновь связывают СО₂ и дыхательный коэффициент резко падает до величин, меньше исходных (0,65) и только через 40-50 минут нормализуется.

3. Определение калорического эквивалента кислорода. Количество тепла, образующегося в организме при использовании 1 л О₂ для окисления тех или иных питательных веществ, называется калорическим эквивалентом кислорода. Каждому дыхательному коэффициенту соответствует свой калорический эквивалент кислорода, т.е. он различен при окислении углеводов, белков и жиров и равен соответственно: 5,05; 4,8 и 4,7 ккал. Его определение производится по специальным таблицам. В среднем при использовании смешанной пищи он равен 4,86 ккал.

4. Зная общее количество поглощённого кислорода за единицу времени, можно вычислить энергетические затраты путём умножения этой величины на определённый калорический эквивалент кислорода.

При методе непрямой калориметрии с неполным газовым анализом определяют количество потреблённого организмом кислорода за единицу времени, дыхательный коэффициент берется для смешанной пищи, а 3-й и 4ый этапы такие же как и с полным газовым анализом.

В условиях резкого усиления анаэробного синтеза АТФ метод непрямой калориметрии даёт неточные результаты (не соответствующие методу прямой калориметрии).