Единицы измерения энергетического обмена

Первичная и вторичная теплота.

Вырабатываемая энергия

Внешняя работа

КПД = ------------------------------------х 100%

При физическом труде человека КПД колеблется от 16 до 25 % и в среднем составляет 20 %. При мышечном сокращении, например, 80% энергии теряется в виде теплоты и только 20 % превращается в механическую работу. КПД изменяется в зависимости от ряда условий. Так, у нетренированных людей он ниже, чем у тренированных, и увеличивается по мере тренировки.

Теплоту, выделяемую организмом, условно делят на два типа.

Теплообразование в организме имеет 2-х фазный характер. При окислении белка, жира, углеводов одна часть используется для синтеза АТФ, другая превращается в теплоту – это первичная теплота.

Первичная теплота постоянно высвобождается в ходе клеточного метаболизма при окислении веществ вне зависимости от того, совершается внешняя работа или нет. Ее количество является показателем интенсивности основного обмена, обеспечивающего клеточный метаболизм и функционирование жизненно важных органов.

В нормальных условиях клетки получают энергию главным образом путем окислительного (аэробного) распада питательных веществ. Так при окислении углеродов 22,7 % идет на синтез АТФ, 77,3 % в форме первичной теплоты рассеивается в тканях.

При распаде АТФ тоже выделяется теплота - это вторичная теплота.

Вторичная теплота выделяется при совершении организмом любой работы за счет резерва аккумулированной энергии АТФ, образующегося в результате метаболических превращений питательных веществ.

В физиологических условиях оба вида теплоты находятся в относительном равновесии. Первичная теплота непрерывно рассеивается в окружающую среду, даже если температура последней превышает температуру тела. Это возможно благодаря механизмам саморегуляции, в частности потоотделению и испарению, предотвращающим перегревание организма.

При переохлаждении же оптимальное для метаболизма количество первичной теплоты обеспечивается за счет увеличения доли вторичной теплоты вследствие усиления двигательной активности, и особенно при появлении непроизвольной дрожи (дрожательный термогенез).

Энергетические затраты рассчитывают по количеству тепла, выделяемого организмом в единицу времени. Единицей измерения энергии в Международной системе единиц (СИ) является джоуль (Дж) или килоджоуль (кДж).

В физиологических и медицинских исследованиях для определения количества энергии, выделенной организмом, используют внесистемные единицы — калорию (кал) или килокалорию (ккал); 1 кал = 4,19 Дж.

Калория — количество энергии (тепла), необходимое для повышения температуры 1 г воды на 1°С.

Энергетическая ценность питательных веществ. Сложные органические молекулы, окисляясь в присутствии кислорода (аэробное окисление) до двуокиси углерода и воды, выделяют заключенную в их химических связях энергию.

Согласно закону Гесса, количество энергии, выделяемое при распаде какого-либо вещества до конечных продуктов, не зависит от числа промежуточных этапов его трансформации. Следовательно, не имеет значения, окисляется ли вещество полностью в организме или сгорает в специальной камере в присутствии чистого кислорода (калориметрическая бомба Бертло), — 1 моль вещества дает одинаковое количество энергии.

Энергетический эквивалент пищи / ценность пищи

Количество энергии поступающей с пищей можно измерить в калорической бомбе Бертло – в герметически замкнутом сосуде (камере), погруженной в водяную баню.

Так, при сжигании белка в калориметрической бомбе выделяется22,61 кДж/г или 5,4 ккал энергии, (а при окислении в организме 17,17 кДж/г), при сжигании углеводов в среднем 17,17 кДж или 4,1 ккал, а при сжигании жиров 1 г дает в 2 раза больше энергии, чем 1 г углеводов – 38,94 кДж/г или 9,3 ккал.

Количество энергии, выделенной при окислении органических веществ, является их физическим энергетическим эквивалентом.

При аэробном окислении в организме 1 г углеводов и 1 г жиров выделяется такое же количество энергии, что и при их сгорании в калориметрической бомбе. Теплотворная же способность белка в организме, или его физиологическая энергетическая ценность, несколько ниже, чем при сжигании в присутствии чистого кислорода, и составляет 4,1 ккал. Это связано с тем, что белки (в отличие от углеводов и жиров) окисляются в организме не полностью. Часть аминогрупп отщепляется от молекул белка и выводится с мочой в виде азотсодержащих соединений (мочевина, мочевая кислота, креатинин и др.).

Бертон и Кребс показали, что при окислительном распаде 1 моля глюкозы высвобождается 2883 кДж свободной энергии. При анаэробном распаде выделяется лишь 208 кДж свободной энергии. Для получения одного и того же количества энергии в анаэробных условиях в клетке должно расщепляться в 15 раз больше глюкозы, чем в аэробных.

Для осуществления такого распада в клетке должно поддерживаться определенное содержание субстратов (углеводов, белков, жиров) и молекулярного кислорода.

Обмен жиров и углеродов служит главным образом для энергетического обеспечения физиологических функций – функциональный метаболизм.

Белковый обмен направлен на поддержание и реконструкцию структур организма – структурный метаболизм.

В организме белки, жиры и углеводы могут взаимозаменяться в пропорции, соответствующей их калорической ценности – правило изодинамии. Например: 1 гр жира дает организму 39,1 кДж – его можно заменить 2,3 г углевода или белка, а 1 г белка или 1г углеводов дают эквивалентное организму 17, 2 кДж, эквивалентные 0,44 г жира. Правило изодинамии учитывает только энергетическое значение питательных веществ, но не следует забывать и о пластической роли питательных веществ. Запасание энергии в форме жира - самый экономный способ.

Энергия, затрачиваемая человеком в покое, быстро переходит в теплоту, поэтому общая теплопродукция эквивалентна затрачиваемой энергии. Измерив теплопродукцию, можно определить интенсивность обмена.

2. Методы исследования энергетического обмена.

Согласно закону Гесса, как уже упоминалось, вся энергия, выделяемая при распаде питательных веществ до конечных продуктов, или тепловой эффект химических реакций, зависит только от состояния исходного вещества и конечных продуктов и не зависит от того, через какие промежуточные стадии или пути обмена идет их распад.

Когда физическая работа не совершается, вся химическая энергия переходит в тепло. Это дает возможность использовать теплопродукцию в качестве показателя интенсивности энергетического обмена.

Первое измерения энергетического обмена провели в 1788 г Лавуазье и Лаплас.

Они показали, что первый закон термодинамики приложим к живым организмам. Поместив в изолированную камеру с кусочками льда (ледяная рубашка) морскую свинку, они рассчитали теплопродукцию животного на основе измерения количества талой воды. Общее количество тепла, теряемое животным, оказалось равным количеству тепла, поглощенному водой, затраченному на испарение выдыхаемой с воздухом влаги и влаги, выделяемой на поверхности тела, т.е. скрытой теплоте парообразования.

Количество тепла, выделяемого или поглощаемого в ходе различных физических и химических процессов, рассчитывают методами прямой и непрямой калориметрии. В физиологии и медицине калориметрия используется для изучения тепловых эффектов, сопровождающих процессы обмена веществ и энергии в покое, при различных видах деятельности и при заболеваниях.

Дата добавления: 2014-01-04