Обмен веществ и энергии. Питание. Терморегуляция

 

Основные вопросы: Понятие обмена веществ и энергии. Этапы обмена веществ. Обмен энергии: понятие общего, основного обмена и рабочей прибавки. Факторы, влияющие на основной обмен. Специфически-динамическое действие пищевых веществ. Методы измерения расхода энергии. Прямая и непрямая калориметрия. Дыхательный коэффициент (ДК). Калорический эквивалент кислорода. Факторы, влияющие на величину ДК. Правило поверхности. Тепловой коэффициент пищевых веществ. Закон изодинамии Рубнера. Физиологические нормы питания населения. Функции белков, жиров и углеводов. Обмен белков, жиров и углеводов в организме и их калорическая ценность. Регуляция обмена веществ. Терморегуляция.

 

Живой организм является открытой термодинамической системой, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Обмен веществ и энергии - это совокупность физических, химических и физиологических процессов, происходящих в организме и обеспечивающих его жизнедеятельность, а также взаимосвязь с внешней средой.

Обмен обеспечивает пластические, защитные и энергетические потребности организма.

В обмене веществ и энергии различают два взаимосвязанных разнонаправленных процесса:

1) анаболизм, основу которого составляют процессы ассимиляции,

2) катаболизм, в основе которого лежат процессы диссимиляции.

Ассимиляция - это совокупность процессов синтеза живой материи.

Диссимиляция - это совокупность процессов распада живой материи.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту и накоплению энергии, а превалирование катаболических - к частичному разрушению тканевых структур и выделению энергии.

Выделяют три этапа обмена веществ:

1) пищеварение,

2) межуточный обмен,

3) образование и выведение конечных продуктов метаболизма.

Первый этап - пищеварение, заключается в последовательном гидролитическом расщеплении в желудочно-кишечном тракте пищевых веществ до простых, лишенных видовой специфичности растворимых химических соединений – питательных веществ, которые всасываются в кровь и лимфу.

Основным результатом первого этапа является образование питательных веществ, которые обеспечивают удовлетворение энергетических, пластических и защитных потребностей организма.

Второй этап - межуточный обмен, характеризуется дальнейшим расщеплением и преобразованиями питательных веществ, в процессе которых синтезируются видоспецифичные белки, жиры и углеводы.

В процессе анаэробного межуточного обмена образуются ключевые соединения - пировиноградная кислота (пируват) и ацетилкоэнзим А (А-КоА), которые обеспечивают перекрестную взаимосвязь между процессами ассимиляции и диссимиляции.

Пируват - это общий продукт расщепления и источник для синтеза белков, жиров и углеводов. Ацетилкоэнзим А - это активный ацетат, который образуется при многоступенчатом окислительном декарбоксилировании пирувата с последующим присоединением кофермента – коэнзима А (А-КоА). А-КоА также является объединяющим звеном обмена белков, жиров и углеводов.

В конечном итоге межуточный обмен сводится к общему конечному пути - аэробному окислению органических веществ в цикле трикарбоновых кислот Кребса. Образующиеся при этом общие продукты обмена используются для синтеза видоспецифических веществ. Одновременно освобождается энергия, 70% которой запасается в макроэргах, а 30% излучается в виде тепла.

Третий этап обмена веществ сводится к образованию и выделению из организма продуктов метаболизма.

Азот выводится в виде азотсодержащих небелковых веществ - шлаковых продуктов обмена: мочевины, мочевой кислоты, креатина и креатинина с мочой, калом и потом.

Углерод выделяется в виде СО₂ через легкие, а также с мочой и калом.

Водород выводится в виде воды с потом, мочой и калом.

Энергетический баланс - это соотношение количества энергии, поступившей в организм с пищей, и энергии, израсходованной организмом в процессе жизнедеятельности.

Количество энергии, которое расходуется организмом на все виды деятельности, называют общим обменом энергии, который состоит из основного обмена и рабочей прибавки.

Основной обмен - это минимальное количество энергии, необходимое для поддержания основных жизненно важных функций организма (деятельности сердца, дыхательного аппарата, печени, почек и мозга).

Рабочая прибавка - это количество энергии, затраченной организмом на выполнение физической и умственной работы.

Основной обмен энергии измеряется при 4-х стандартных условиях:

1) утром, сразу после сна,

2) в состоянии физического и эмоционального покоя,

3) натощак, через 12-14 часов после приема пищи,

4) при температуре комфорта – 22 ^оС.

Средняя величина основного обмена энергии у здорового взрослого человека составляет 1500 - 1700 ккал/сутки. Для того, чтобы оценить величину основного обмена его сравнивают с должными, стандартными величинами. Индивидуальную норму основного обмена называют должным основным обменом (ДОО).

Величина ДОО зависит от антропометрических факторов:

1) пола,

2) возраста,

3) роста,

4) веса.

Отклонения значений фактического основного обмена от его должной величины менее чем на 10% расценивают как несущественные, что свидетельствует о нормальном уровне основного обмена в организме.

Уровень основного обмена у мужчин выше, чем у женщин, в связи с особенностями гормональной активности половых желез. У молодых людей и особенно у детей он выше, чем у лиц пожилого возраста.

Немецким физиологом Рубнером установлено, что для взрослого человека среднее значение основного обмена составляет 1 ккал х 1 кг веса в час. Поскольку основной обмен измеряется за сутки, надо эту величину умножить еще на 24 часа.

Более тесно интенсивность основного обмена связана с размерами тела. Согласно правилу поверхности у теплокровных, имеющих разные размеры тела, с 1м² поверхности тела в окружающую среду рассеивается одинаковое количество энергии. Затраты энергии пропорциональны величине удельной поверхности тела. Чем меньше животное, тем больше удельная поверхность тела - площадь поверхности на 1 кг веса и тем выше теплопродукция.

Для оценки энергетических затрат организма используют методы прямой и непрямой калориметрии.

Прямая калориметрия основана на непосредственном измерении количества тепла, выделенного организмом в биокалориметре за единицу времени.

Биокалориметр - это герметизированная и теплоизолированная камера, между стенками которой циркулирует вода. Тепло, выделяемое находящимся в камере человеком или животным, нагревает воду. По изменению температуры воды за определенный интервал времени рассчитывают количество выделенного организмом тепла.

Прямая калориметрия обеспечивает высокую точность измерения энергозатрат организма. Однако, вследствие сложности оборудования этот способ используется только для специальных целей.

Непрямая калориметрия основана на определении энергозатрат по показателям газообмена: по количеству потребленного кислорода и выделенного углекислого газа за единицу времени с последующим рассчетом теплопродукции организма (или только по количеству потребленного кислорода).

Между количеством потребленного кислорода и образовавшегося тепла существует тесная связь, которая характеризуется калорическим эквивалентом кислорода (КЭК).

КЭК - это количество энергии, которое освобождается в организме при потреблении 1 л О₂.

Энергетические затраты можно рассчитать, если известно, какие вещества - белки, жиры или углеводы окисляются в организме. Показателем этого служит дыхательный коэффициент (ДК).

Дыхательный коэффициент - это объемное отношение выделенного при окислении питательных веществ в организме СО₂ к поглощенному О₂ за единицу времени:

ДК = СО₂ : О₂.

ДК при окислении в организме углеводов равен 1, белков - 0,8, жиров - 0,7, для смешанной пищи - 0,85.

Определенному значению дыхательного коэффициента соответствует определенная величина калорического эквивалента кислорода. КЭК для углеводов равняется 5 ккал/л, для белков - 4,8 ккал/л, для жиров - 4,7 ккал/л, для смешанной пищи - 4,85 ккал/л.

Одним из классических способов непрямой калориметрии является метод Дуглас-Холдейна, при котором:

1) выдыхаемый воздух собирается в специальный газообменный мешок Дугласа,

2) анализируют газовый состав выдыхаемого воздуха (содержание в нем О₂ и СО₂),

3) определяют МОД при помощи специальных газовых часов,

4) анализируют газовый состав вдыхаемого воздуха,

5) исходя из полученных данных определяют количество потребленного О₂  и выделенного СО₂, то есть ДК, а затем рассчитывают расход энергии за сутки.

В непрямой калориметрии могут использоваться методы полного и неполного газового анализа.

При неполном газовом анализе энергозатраты рассчитывают только по определению объема поглощенного кислорода за единицу времени и принятию усредненного ДК = 0,85.

При полном газовом анализе энергозатраты определяются по величине ДК на основе учета количества поступившего кислорода и выделившегося углекислого газа за единицу времени.

Интенсивность обменных процессов и энергозатрат в организме существенно возрастает в условиях умственной и особенно физической работы.

В зависимости от особенностей профессиональной деятельности население по энергетическим тратам делится на пять групп:

1) работники умственного труда - 2800 ккал/сутки,

2) работники легкого физического труда - 3000 ккал/сутки,

3) работники среднего по тяжести физического труда - 3200 ккал/сутки,

4) работники тяжелого физического труда - 3700 ккал/сутки,

5) работники особо тяжелого физического труда - более 4300 ккал/сутки.

При умственной работе энергозатраты организма возрастают лишь на 2-3%. Однако, умственный труд, сопровождающийся психоэмоциональным напряжением, приводит к повышению энергозатрат уже на 11-19%.

Существенное влияние на уровень обмена энергии оказывает потребление пищевых веществ и их переваривание в пищеварительном тракте.

Усиление под влиянием приема пищи интенсивности обмена веществ и увеличение энерготрат организма называется специфически-динамическим действием пищи.

Специфически-динамическое действие пищи вызывает повышение уровня основного обмена:

1) при потреблении белковой пищи - на 30%,

2) при потреблении жиров - на 15-20%,

3) при потреблении углеводов - на 5%,

4) при приеме смешанной пищи - на 6-13%.

Увеличение обмена веществ и энергии начинается примерно через час, достигает максимума через три часа и продолжается 12-18 часов.

Процесс доставки и усвоения питательных веществ для обеспечения энергетических, защитных и пластических потребностей организма называется питанием.

Основные принципы питания:

1) достаточность количества пищевых веществ для восстановления энергетических, пластических и защитных потерь организма,

2) адекватность качественного состава пищи потребностям организма,

3) потребление достаточного количества воды, солей, микроэлементов и витаминов,

4) оптимальный режим питания: при трехразовом питании - завтрак - 30%, обед - 45%, ужин - 25%; при четырехразовом питании - завтрак - 25%, второй завтрак - 15%, обед - 35%, ужин - 25%,

В процессах энергообмена аминокислоты, жирные кислоты и моносахара взаимосвязаны общими путями их превращения и преобразования. Поэтому, согласно закону изодинамии Рубнера, пищевые вещества могут взаимозаменяться в соответствии с их теплотворной энергетической ценностью.

Различают физический и физиологический тепловой коэффициенты пищевых веществ.

Физический тепловой коэффициент - это количество энергии, выделяемой при сжигании 1 г вещества в калориметрической бомбе Бертло.

Калориметрическая бомба представляет собой специальный калориметр, наполненный чистым кислородом под давлением 200 атм. Сжигание вещества достигается пропусканием через бомбу электрической искры.

Физический тепловой коэффициент 1 г белка составляет 5,4 ккал/г, углеводов - 4,1 ккал/г, жира - 9,3 ккал/г.

Физиологический тепловой коэффициент - это количество энергии, выделяемое при окислении 1 г пищевого вещества в организме.

Физиологический тепловой коэффициент белка - 4,1 ккал/г, углеводов - 4,1 ккал/г, жира - 9,3 ккал/г.

Жиры и углеводы окисляются в организме и сгорают вне организма с образованием одних и тех же конечных продуктов: углекислого газа и воды. Поэтому значения физического и физиологического тепловых коэффициентов для жиров и углеводов одинаковы.

Физический тепловой коэффициент для белков больше, чем физиологический. Это объясняется тем, что в калориметре белки сгорают до конечных продуктов – СО₂, Н₂О и NН₃, а при окислении их в организме образуются азотсодержащие соединения - мочевина, мочевая кислота, креатинин, креатин, обладающие еще достаточно высокой теплотворной способностью.

Согласно правилу изодинамии 1 г жира по энергетической ценности можно заменить 2,3 граммами белков или углеводов. Однако, правило изодинамии учитывает только энергетические потребности организма, тогда как пищевые вещества выполняют еще пластическую и защитную функции.

Различают понятия белкового минимума и белкового оптимума.

Белковый минимум – это минимальное количество потребляемого белка, при котором в организме сохраняется азотистое равновесие в состоянии покоя. Его величина составляет 30-45 г/сутки. Однако, для нормальной жизнедеятельности требуетсяне белковый минимум, а белковый оптимум.

Белковый оптимум для взрослого человека в зависимости от тяжести физического труда составляет от 90 до 120 г/сутки (из них 50-65 г/сутки должны составлять белки животного происхождения),

Основные функции белков в организме:

Пластическая,

Энергетическая,

Защитная.

Пластическая функция белков состоит в восполнении и формировании различных компонентов клетки.

Энергетическая функция обусловлена способностью 1 г белка выделять 4,1 ккал при окислении его в организме.

Защитная функция связана с участием белков в различных защитных системах организма.

В зависимости от особенностей аминокислотного состава различают полноценные и неполноценные белки.

Установлено, что из 20 аминокислот, входящих в состав белков, десять не могут синтезироваться и являются незаменимыми. Биохимически полноценными называют белки, содержащие весь необходимый набор незаменимых аминокислот в таких соотношениях, которые обеспечивают нормальные процессы синтеза в организме.

О скорости распада и обновления белков в организме судят по количеству азота, поступающего с пищей и выводимого из организма с мочой. В белке содержится около 16% азота (в 100 г белка - 16 г азота). Следовательно, выделение из организма 1 г азота соответствует распаду 6,25 г белка в организме.

Соотношение азота, поступившего в организм с пищей и выделенного из него называют азотистым балансом.