Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Визначення витрат енергії при фізичних навантаженнях




Хоча жири забезпечують більше кілокалорій енергії на грам, ніж вуглеводи, для їх окиснення лотребується більше кисню, ніж для окиснення вуглеводів. Жири утворюють 5,6 молекули АТФ відносно молекули О2 вуглеводи — 6,3 молекули АТФ відносно молекули О2. Доставка кисню обмежена кисневотранспортною системою, тому кращим джерелом енергії під час виконання фізичної вправи високої інтенсивності є вуглеводи.

 

Переважний вміст у вільних жирних кислотах більшої кількості вуглецю, ніж у глюкозі, полягає в утворенні більшої кількості ацетил-КоА при метаболізмі даної кількості жиру, отже, у цикл Кребса надходить більше ацетил-КоА, а у ланцюжок переносу електронів — більше електронів. Саме тому при метаболізмі жирів утворюється набагато більше енергії, ніж при метаболізмі вуглеводів.

Таблиця 4.3

Утворення енергії внаслідок окиснення пальмітинової кислоти (С16Н32О2)

Етап процесу АТФ, утворюваний з 1 молекули пальмітинової кислоти
безпосередньо окиснювальним фосфорилюванням
Активація жирної кислоти -  
β -окиснення -  
Цикл Кребса
Усього  

Візьмемо, наприклад, пальмітинову кислоту — досить поширену 16-вуглецеву вільну жирну кислоту. В результаті реакцій окиснення, циклу Кребса та ланцюжка переносу електронів з однієї молекули пальмітинової кислоти утворюється 129 молекул АТФ (табл. 4.3), у той часяк з молекули глюкози та глікогену відповідно 38 та 39 молекул. Незважаючи на такий високий показник, тільки близько 40 % енергії, що вивільнюється внаслідок метаболізму молекул або глюкози, або вільних жирних кислот, витрачається на утворення АТФ. Решта 60 % виділяються у вигляді тепла.

 

МЕТАБОЛІЗМ БІЛКІВ

Як уже відмічалося, вуглеводи та жири є переважними джерелами енергії нашого організму. Однак використовуються і білки або, скоріше, амінокислоти, з котрих вони складаються. Деякі амінокислоти можуть перетворюватися на глюкозу (за допомогою глюконеогенезу). Інші можуть перетворюватися на різні проміжні продукти окиснювального метаболізму (такі, як піруват або ацетил-КоА), щоб взяти участь в окислювальному процесі.

Кількість енергії, утворюваної білками, досить важко визначити, на відміну від енергії, утворюваної вуглеводами або жирами, оскільки білки також містять азот. При катаболізмі амінокислот певна кількість азоту використовується для утворення нових амінокислот, решта азоту перетворюється на сечовину і виділяється головним чином з сечею. Цей процес потребує використання АТФ і, отже, призводить до витрат якоїсь кількості енергії.

При розщепленні білків шляхом спалювання у лабораторних умовах утворюється 5,65 ккал∙г-1 енергії. При метаболізмі білка в організмі, внаслідок витрат енергії на процес перетворення азоту на сечовину, вивільнюється усього 5,20 ккал∙г-1 енергії, тобто на 8 % менше.

Щоб точно визначити інтенсивність обміну білків, необхідно встановити, яка кількість азоту виводиться з організму. Для цього необхідно збирати сечу протягом 12-24 год. Оскільки здоровий організм використовує невелику кількість білків у стані спокою і при виконанні фізичного навантаження (як правило, набагато менше 5-10 % усіх витрат енергії), при оцінці витрат енергії метаболізм білків просто не беруть до уваги.

 

ОКИСНЮВАЛЬНІ ЗДАТНОСТІ М'ЯЗІВ

Ми з'ясували, що процеси окиснювального метаболізму забезпечують максимальне утворення енергії. Було б ідеальним, якби ці процеси завжди здійснювалися з максимальною ефективністю. Однак,як і усі фізіологічні системи, вони мають свої обмеження. Окислювальна здатність Qо2 м'яза — це показник її максимальної здатності використовувати кисень. Далі ми розглянемо чинники, що обмежують цю здатність м'язів.

Активність ферментів. Здатність м'язових волокон окиснювати вуглеводи та жири досить важко визначити. У багатьох дослідженнях спостерігали тісний взаємозв'язок між здатністю м'яза виконувати аеробну вправу протягом тривалого часу та активністю її окиснювальних ферментів. Оскільки для окиснювання потребується багато ферментів, то їх активність у м'язових волокнах є достатньо надійним показником окиснювального потенціалу.

Немає рації вимірювати усі ферменти, тому для ілюстрації аеробної здатності волокон вибирають деякі з них. Найчастіше використовують такі ферменти, як сукцинатдегідрогеназу та цитратсинтазу, ферменти мітохондрій, що беруть участь у циклі Кребса. На рис. 4.9 проілюстровано взаємозв'язок між активністю сукцинатдегідрогенази у латеральному широкому м'язі та її окиснювальною здатністю. Окиснювальна активність ферментів у м'язах спортсменів, які займаються видами спорту, що потребують прояву витривалості, у два-чотири рази вища, ніж у м'язах нетренованих чоловіків та жінок.

Склад м'язових волокон та тренувальні навантаження, спрямовані на розвиток витривалості. Склад волокон м'яза частково визначає його окиснювальну здатність. Як уже відмічалося у розділі 2, ПС волокна мають більшусхильність до аеробної діяльності, ніж ШС, оскільки містять більше мітохондрій та окиснювальних ферментів. ШС волокна більш придатні для гліколітичного продукування енергії. Отже,чим більше у м'язах ПС волокон,тим вища їх окиснювальна здатність.Наприклад, у найсильніших бігунівна довгі дистанції значно більше ПСволокон, мітохондрій і вища активність окиснювальних ферментів, ніжу нетренованих людей.

Тренувальні навантаження, спрямовані на розвиток витривалості, збільшують окиснювальні здатності усіх волокон і особливо ШС, ставлячи високі вимоги до окиснювального фосфорилювання, вони стимулюють м'язові волокна до утворення великої кількості мітохондрій, що містять велике число окиснювальних ферментів. Збільшуючи кількість ферментів у волокнах для β -окиснення, такі навантаження також допомагають м'язам більшою мірою розраховувати на жири як джерело продукування АТФ.

Таким чином, тренувальні навантаження на розвиток витривалості дають змогу підвищити аеробні здатності м'язів навіть у людей з високим вмістом ШС волокон. Разом з тим відомо, що ШС волокно у результаті тренування на розвиток витривалості не зможе такою ж мірою збільшити витривалість, як ПС волокно.

Потреба у кисні. Хоча окиснювальна здатність м'язів визначається кількістю мітохондрій та окиснювальних ферментів у них, окиснювальний метаболізм насамкінець залежить від їх адекватного постачання киснем. У стані спокою потреби організму в АТФ відносно невеликі, тому потреба у кисні також мінімальна. Однак зі збільшенням інтенсивності навантаження зростає і потреба в енергії. Для її задоволення необхідно збільшити окиснювальне утворення АТФ. Задоволення потреб м'язів у кисні здійснюється за рахунок збільшення частоти та глибини дихання, поліпшення процесу газообміну у легенях. Серце починає скорочуватися частіше, постачаючи у м'язи більшу кількість оксигенованої крові.

В організмі людини кисню небагато. Тому кількість кисню, що попадає у кров, котра проходить через легені, прямо пропорційна кількості, використовуваній тканинами для окиснювального фосфорилювання. Отже, можна досить точно визначити величину аеробного продукування енергії, вимірявши кількість кисню, що споживається у легенях.

В огляді...

1. Три енергетичні системи забезпечують утворення АТФ:

• система АТФ-КФ;

• гліколітична система;

• окиснювальна система.

2. У системі АТФ-КФ Рн відділяється від креатинфосфату під дією креатинкінази. Рн потім може з'єднатися з АДФ, утворюючи АТФ. Це анаеробна система, головною функцією котрої є підтримання рівня АТФ. Величина вивільнення енергії становить 1 моль АТФ на 1 моль КФ.

3. Гліколітична система включає процес гліколізу, за допомогою котрого глюкоза або глікоген розщеплюється на піровиноградну кислоту за допомогою гліколітичних ферментів. Якщо у процесі не бере участі кисень, то піровиноградна кислота перетворюється на молочну кислоту. З 1 моля глюкози утворюється 2 молі АТФ, тоді як з 1 моля глікогену — 3 молі АТФ.

4. Гліколітична система та система АТФ-КФ є основними джерелами енергії у перші хвилини виконання фізичної вправи високої інтенсивності.

5. Окиснювальна система включає розщеплення джерел енергії за участю кисню. Вона забезпечує утворення більшої кількості енергії, ніж гліколітична система та система АТФ-КФ.

6. Окиснення вуглеводів включає гліколіз, цикл Кребса та ланцюжок переносу електронів. Кінцевим результатомє Н2О, СО2 та 38або 39 молекул АТФ з однієї молекули вуглеводів.

7. Окиснення жирів починається з β -окиснення вільних жирних кислот і потім здійснюється так само,як і окиснення вуглеводів: цикл Кребса та ланцюжок переносу електронів. Кількість енергії, утворюваної внаслідок окиснення жирів, значно перевищує кількість, утворювану при окисненні вуглеводів, і залежить від кількості окиснених вільних жирних кислот.

8. Процес окиснення білків більш складний, оскільки білки (амінокислоти) містять азот, котрий не окиснюється. Внесок білків в утворення енергії відносно незначний, тому обмін білків часто не беруть до уваги.

9. Окиснювальні здатності м'язів залежать від рівнів вмісту в них окиснювальних ферментів, складу волокон та наявності кисню.

Неможливо безпосередньо визначити обмін енергії у м'язових волокнах.

Велика кількість непрямих лабораторних методів дозволяє визначити інтенсивність та витрати енергії у спокої і при виконанні фізичного навантаження. Багато з цих методів застосовуються з початку XX ст. Інші лише зовсім недавно стали використовуватися у фізіології м'язової діяльності. Далі ми розглянемо деякі з цих методів.

 

ПРЯМА КАЛОРИМЕТРІЯ

Як уже відмічалося, тільки близько 40 % енергії, що вивільнюється при метаболізмі глюкози та жирів, йде на утворення АТФ. Решта 60 % перетворюються на тепло, тому інтенсивність та кількість вивільнюваної енергії можна визначити, вимірявши утворюване тепло. Цей метод називається прямою калориметрією.

Уперше він був описаний Зунцем та Хагеманном наприкінці XIX ст. Вони створили калориметр (рис. 4.10), що являє собою геометричне закриту камеру. Стінки камери мають мідні труби, у котрих тече вода. Коли людина перебуває у камері, тепло, що виділяє її тіло, випаровується й нагріває воду. Реєструються зміни температури води, а також повітря, котре надходить у камеру та виходить з неї під час дихання людини. Ці зміни зумовлені теплом, що виділяється тілом людини. Використовуючи сумарні показники, можна кількісно оцінити метаболізм.

Калориметри дуже дорогі, окрім того, для отримання достовірних результатів період дослідження має тривати досить довго. Єдиною реальною перевагою калориметра є те, що він безпосередньо вимірює тепло. Хоча калориметр дозволяє точно визначити загальні витрати енергії, але він не дає змоги простежити за швидкими змінами у вивільненні енергії. Саме тому енергетичний обмін під час інтенсивного навантаження не можна вивчати за допомогою калориметра. Метод прямої калориметрії нині використовується досить рідко. Значно простіше й дешевше визначити витрати енергії на основіобміну кисню й діоксиду вуглецю під час окиснювального фосфорилювання.

 

НЕПРЯМА КАЛОРИМЕТРІЯ

Як уже відмічалося, метаболізм глюкози й жирів залежить від наявності О2, утворення СО2 та води. Кількість обмінюваних О2 та СО2 у легенях звичайно дорівнює тій їх кількості, котра використовується і виділяється тканинами тіла. Знаючи це, можна визначити витрати енергії, вимірявши кількість дихальних газів. Цей метод називається непрямою калориметрією, оскільки утворення тепла вимірюється непрямо, на основі дихального газообміну СО2 та О2.

Прилад для вимірювання утворення СО2 та споживання О2 показано на рис. 4.11. Незважаючи на те що він є трохи громіздким і обмежує рухи, його можна використати в різних умовах — лабораторії, на ігровому майданчику тощо.

Дихальний коефіцієнт. Для визначення кількості енергії, котру витрачає організм, необхідно знати, що використовується в окиснювальних процесах у якості субстратів (вуглеводи, жири чи білки). Вміст вуглецю й кисню у глюкозі, вільних жирних кислотах та амінокислотах дуже відрізняється. Через це кількість кисню, використовуваного у процесі метаболізму, залежить від окиснюваного субстрату. Метод непрямої калориметрії дозволяє визначити кількість СО2 (VСО2), що виділяється, та кисню (VО2). Співвідношення цих двох величин називається дихальним коефіцієнтом (ДК).

Кількість кисню, необхідна для повного окиснення молекули вуглеводу або жиру, пропорційна вмісту вуглецю у цьому субстраті. Наприклад, глюкоза (С6Н12О6) містить шість атомів вуглецю. При спалюванні глюкози 6 молекул кисню використовуються для утворення 6 молекул СО2,6 молекул Н2О та 38 молекул АТФ:

6 О2 + С6Н12О6 → 6 СО2 + 6 Н2О + 38 АТФ.

Оцінюючи кількість виділеного СО2 порівняно з кількістю спожитого О2, ми встановимо, що ДК дорівнює 1,0:

 

Як слідує з табл. 4.4, ДК змінюється залежно від субстрату, котрий використовується для утворення енергії. Вільні жирні кислоти містять значно більше вуглецю й водню, але менше кисню, ніж глюкоза. Візьмемо, наприклад, пальмітинову кислоту С16Н32О2. Щоб повністю окиснити цю молекулу до СО2 таН2О, необхідно 23 молекули кисню:

 

Насамкінець цей процес окиснення приводить до утворення 16 молекул СО2, 16 молекул Н2О та 129 молекул АТФ:

 

С16Н32О2 + 23 О2 → 16 СО2 + 16 Н2О + 129 АТФ

Для спалювання однієї молекули жиру потребується значно більше кисню, ніж для спалювання однієї молекули вуглеводів. Під час окиснення з кожної молекули використовуваного О2 утворюється приблизно 6,3 молекули АТФ (38 АТФ на 6 О2), тоді як при обміні пальмітинової кислоти — 5,6 молекули АТФ (129 АТФ на 23 О2).

 

Хоча жири забезпечують більше енергії, ніж вуглеводи, для їх окиснення потребується більше кисню. Це означає, що ДК жирів значно поступається ДК вуглеводів. При використанні пальмітинової кислоти ДК дорівнює 0,70:

ДК = VСО2 = 16 = 0,70

2 23

Таблиця 4.4




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-10-17; Просмотров: 521; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.029 сек.