Обмен энергии

Общее представление об обмене веществ и энергии

Использование химической энергии в организме называют энергетическим обменом. Энергия выделяется в результате катаболизма, т.е. распада химических соединений и клеточных структур организма (диссимиляция) Источником энергии в организме являются углеводы, жиры и белки. В течение жизни человек потребляет 75 т продуктов: Воды – 56 т Углеводов – 14 т Белков – 2,5 т Жиров – 2,5 т

Калория (единица измерения энергии) – это количество энергии, которая необходима для повышения температуры 1 г воды на 1 С о. 1 кал = 0,001 ккал; 1 ккал = 1000 кал. 1 кал = 4,19 Дж; 1 Дж = 0,239 кал.

Коэффициент полезного действия 100% энергии не может быть преобразовано в работу, т.к. согласно 2-му закону термодинамики, в системе при преобразовании увеличивается энтропия. КПД(коэффициент полезного действия) представлен той частью вырабатываемой энергии, которая затрачивается на внешнюю работу. КПД = Внешняя работа/Вырабатываемая энергия * 100 Например, КПД мышц = 20 %, не более 25 %.

Энергетический эквивалент пищи Количество энергии, выделяемой при сгорании какого-либо вещества, не зависит от числа промежуточных этапов его распада, а зависит только от теплосодержания его начальных и конечных продуктов реакции (закон Гесса). При сгорании в организме 1 г углеводов выделяется 4,1 ккал (17,16 кДж) 1 г белков – 4,1 ккал (17,16 кДж) 1 г жиров – 9,3 ккал (38,9 кДж) Энергетическая ценность белков выше (1 г белков содержит 5,4 ккал или 22,61 кДж), т.к. при биохимических реакциях в организме белки окисляются не полностью.

Дыхательный коэффициент ДК характеризует тип использования пищевых продуктов в обмене веществ. ДК – это соотношение объема выделенного углекислого газа к объему потребленного кислорода. ДК= выд.СО 2 /поглощ.О 2 ДК углеводов = 1,00 ДК жиров = 0,70 ДК белков = 0,81 С 6 Н 12 О 6 +6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 О 2С 3 Н 5 (С 15 Н 31 СОО) О 2 = 102 СО О 2

Значения дыхательных коэффициентов и энергетических эквивалентов кислорода при окислении различных пищевых веществ Энергетический (калорический) эквивалент кислорода означает количество энергии, которое высвобождается при потреблении организмом 1 л кислорода для полного окисления какого-нибудь субстрата.

Определение интенсивности обменных процессов в организме Общая теплопродукция эквивалентна затраченной энергии. Измерив теплопродукцию, можно определить интенсивность обмена. Потери тепла можно измерять как прямым способом, так и не прямым (косвенным).

Прямое измерение интенсивности обмена Респирационный аппарат Шатерникова Биокалоримент Этуотера-Бенедикта

Непрямое измерение интенсивности обменных процессов Для этого измеряют поглощение кислорода в единицу времени, используя закрытые и открытые респираторные системы. Способность организма к накоплению О 2 очень мала (в отличие от СО 2 ), поэтому поглощенный кислород является хорошей мерой того его количества, которое было использовано тканями организма. Для расчета результаты приводят к стандартным условиям: 0 0 температура, 760 мм рт.ст., сухой воздух

Параметры обменных процессов в организме Общий энергетический обмен (валовый обмен) состоит из основного обмена, рабочей прибавки к основному обмену и величины специфически-динамического действия пищи. Основной обмен – это энерготраты организма в условиях физиологического покоя. Из этого количества 27 % расходуется печенью, 19 % мозгом, 10 % почками, 18 % мышцами, остальные 19 % расходуются на терморегуляцию. Основной обмен определяют при условиях: 1)утром; 2)в покое (лежа); 3) натощак, через 12 часов после еды; 4) при температуре комфорта (22-24 о С), исключающей терморегуляцию. За стандартную величину интенсивности обмена веществ в организме принимают 4,2 кДж / кг*ч (1 ккал / (кг*ч), т.е за сутки 7100 кДж или 1700 ккал.

Формулы расчета величины основного обмена с учетом возраста и массы тела

Обменные процессы при нагрузке Ступенчатая энергетическая шкала Вид физической деятельности Ккал/сутки 1 ступеньотносительный покой ступеньлегкая работа ступеньумеренно тяжелая ступеньтяжелая физическая ступеньмаксимально возможная

Специфическое динамическое действие пищи - это усиление обмена веществ после приема пищи по сравнению с уровнем основного обмена. Повышение обмена начинается через мин после приема пищи и продолжается до нескольких часов (это затраты на переваривание, всасывание, транспорт и усвоение) Белковая пища увеличивает обмен на 30 %, углеводная и жировая – на 15 %.

Площадь поверхности тела Нормальное значение" ППТ обычно составляет 1,73 м² для взрослых. Формула Мостеллера1987 : BSA = sqr {(W · H) / 3600}, Оценка BSA используется при стандартизации результатов измерений, основного обмена, скорости фильтрации в клубочках почек, индекса Кетле, сердечного индекса, многих биохимических показателей, доз применяемых медикаментов и др.

Зависимость между массой тела млекопитающих и интенсивностью обмена в состоянии покоя Правило Рубнера Животн ое Масса тела, г Общее потребл.О 2, мл/ч Уд. потребл. О 2,мл/г* ч 1 Землер ойка 4,8 35,57,40 Мышь 25 41,01,65 Собака ,33 Человек ,21 слон ,07 Удвоение длины при сохранении пропорций сопровождается 4-х кратным увеличением поверхности тела и 8-и кратным увеличением массы.

Теплообмен и регуляция температуры тела

Терморегуляция Совокупность физиологических реакций организма, поддерживающая постоянство температуры тела. В основе терморегуляции лежат процессы регуляции теплопродукции и теплоотдачи. Терморегуляцию разделяют на: химическую и физическую.

Пойкилотермия – состояние организма при котором температура тела меняется в широких пределах в зависимости от температуры внешней среды (все беспозвоночные, рыбы, земноводные, пресмыкающиеся). Гомойотермия - способность поддерживать постоянной температуру тела независимо от температуры внешней среды. Механизмы терморегуляции у холоднокровных несовершенны, т.к. интенсивность обменных процессов у них в 2030 раз медленнее, чем у теплокровных животных животных

Образование и потеря тепла Теплообразование является результатом экзотермических реакций. Наибольшее количество тепла дают мышцы, печень, почки. Потеря тепла зависит от местоположения органа.

Циркадианный ритм. Среднесуточные изменения температуры тела у пробандов утреннего и вечернего типов

Базальная температура – один из показателей овуляции Нормальный график базальной температуры

Химическая терморегуляция Оптимальная температура (зона комфорта) в легкой одежде – о С, для обнаженного тела – 28 о С. Химическая терморегуляция осуществляется путем усиления или ослабления образования тепла, т.е. изменением интенсивности обмена веществ. Особо важна Х.Т. В условиях охлаждения. Способы осуществления термогенеза: - произвольная активность мышц; - непроизвольная активность мышц - феномен дрожи; - недрожательный термогенез (ускорение обменных процессов, бурый жир). Тяжелая мышечная работа увеличивает теплообразование на 400 – 500 %.

Физическая терморегуляция Особо важна Ф.Т. В условиях повышенной температуры. Физическая терморегуляция осуществляется путем изменения интенсивности отдачи тепла телом. Пути теплоотдачи: - теплоизлучение (радиация); - конвекция (движение и перемешивание нагреваемого телом воздуха); - теплопроведение (отдача тепла предметам, соприкасающимся с телом); - испарение. На испарение 1 мл воды расходуется 0,58 ккал. За сутки в нормальных условиях с поверхности тела испаряется 700 – 850 мл воды.

Регуляция температуры тела Главный центр терморегуляции – гипоталамус. Температурные рецепторы в ЦНС находятся в спинном мозге, ретикулярной формации и в гипоталамусе. Физическая терморегуляция (сужение сосудов, потоотделение) контролируется передней частью гипоталамуса – центр теплоотдачи. Химическая терморегуляция – каудальной частью гипоталамуса – центр теплопродукции. Температурные рецепторы (тепловые и холодовые) в коже представлены свободными нервными окончаниями, образующими тепловые пятна. Холодовых в 10 раз больше.

Схема терморегуляции