Методи дослідження обміну енергії

Обмін енергії та терморегуляція

Лекція №14.

Більшість процесів життєдіяльності клітини відбуваються з викорис­танням енергії. Вона витрачається на підтримання цілісності клітинних структур, іонних градієнтів, біосинтетичних процесів, забезпечення спе­цифічних форм клітинної активності (скорочення, проведення нервового імпульсу, секреція) тощо.

Витрачені енергетичні ресурси організм повинен постійно компенсува­ти за рахунок харчування. Засвоєння жирів, білків, вуглеводів та інших сполук, які надходять з їжею, дають змогу структурам організму функціонувати і поповнювати енергетичні запаси. Зниження інтенсив­ності цих процесів або їх повне припинення може призвести до розладів, захворювання або навіть загибелі.

Обмін енергії

Методи оцінки енергетичного балансу організму ґрунтуються на двох основних принципах: прямому вимірюванні кількості тепла, яке виділило­ся (пряма калориметрія), і непрямому вимірюванні - шляхом визначення кількості кисню, що поглинається, та вуглекислого газу, який виділяється (непряма калориметрія).

Метод прямої калориметрії ґрунтується на тому, що, відповідно до другого закону термодинаміки, більшість енергії, яка вивільнюється під час дисиміляції, тобто під час переходу потенційної хімічної енергії у кіне­тичну, перетворюється у теплову (20-25% вивільненої енергії використо­вується для виконання роботи). Помістивши людину в спеціальну термоізольовану камеру, можна визначити кількість виділеного тепла. Для цього потрібно знати кількість води в трубах теплообмінника камери (m), початкову (t₁) і кінцеву (t₂) її температуру. Тоді кількість тепла, що виділи­ла людина (Q), можна обчислити за формулою:

Q=c∙m∙(t₂-t₁),

де с - теплоємність води (=1). Однак зазначений спосіб надто громіздкий і нині використовується лише для проведення точних науко­вих досліджень.

Найчастіше використовується простіший спосіб непрямої калори­метрії. Відомо, що рівень теплоутворення визначається за кількістю по­глинутого кисню і виділеного вуглекислого газу. Знаючи їхні об'єми, можна визначити дихальний коефіцієнт (ДК) - відношення виділеного СО₂ до поглинутого О₂:

ДК = νCО₂:νО₂.

За величиною дихального коефіцієнта можна опосередковано судити про продукт, що окислюється. Так, під час окислювання 1 г глюкози виділяється 4,1 ккал тепла, жирів - 9,3 ккал, білків - 4,1 ккал (ці величини характеризують енергетичну цінність відповідних харчових речовин). Ве­личина ДК залежить від кількості молекул О₂, яка буде затрачена на окиснення певної сполуки для утворення кожної молекули СО₂. Наприклад, під час окиснення глюкози для утворення однієї молекули СО₂ використо­вується стільки ж молекул О₂ (ДК = 1,0). У зв'язку з тим, що в структурі жирних кислот на один атом вуглецю припадає менше атомів кисню, ніж у вуглеводах, то в разі їх окиснення ДК = 0,7, у разі білкової їжі ДК = 0,8.

Знаючи величину дихального коефіцієнта і визначивши кількість кис­ню, який поглинається за одиницю часу (ПК), можна розрахувати тепло­продукцію організму. За величиною ДК у спеціальних таблицях знаходять калоричний еквівалент кисню (КЕК), тобто ту кількість енергії, яка утво­рюється у разі використання 1 л кисню. Знаючи ПК і КЕК, можна розра­хувати величину енергозатрат.

Під час проведення досліджень у реальних умовах необхідно врахову­вати, що крім складу харчових речовин, які окислюються, на величину ДК можуть впливати й інші чинники. Зокрема, гіпервентиляція призводить до виділення з лужних резервів крові "запасних" кількостей вуглекислого газу. Природно, що в такому разі ДК може бути навіть вищим одиниці. Це спостерігається, наприклад, на початку виконання м'язової роботи у пе­рехідний період перед установленням нового стаціонарного робочого рівня обмінних процесів.

ДК може змінюватися і за умови одноманітного харчування, коли відбувається перетворення одного виду обмінного процесу в інший. Так, у разі переважання харчування вуглеводами частина їх може перетворюва­тися у жири. У зв'язку з меншим вмістом О₂ у складі жирів такий процес супроводжується виділенням СО₂, що призводить до росту ДК.

У разі голодування чи діабету у зв'язку зі зменшенням надходження вуг­леводів ДК знижується. ДК різко знижується (деколи до 0,6) і після вико­нання інтенсивного фізичного навантаження. Це зумовлено поступовим зниженням вмісту молочної кислоти в крові. Зменшення кількості лактату супроводжується вивільненням буферних основ крові, які зв'язують части­ну СО₂, що утворюється під час окислювання, і затримують його в організмі.

Основний обмін

Енергетичні затрати організму залежать від багатьох чинників (статі, віку, маси тіла, стану ендокринних залоз і ЦНС, активності внутрішніх органів, умов зовнішнього середовища, м'язової роботи тощо). Однак навіть за умови повного спокою людина втрачає деяку кількість енергії на підтримання мінімального рівня окисних процесів, який необхідний для забезпечення життєдіяльності клітин і тканин, а також за рахунок органів та систем, які постійно працюють (дихальних м'язів, серця, нирок, печінки). Ці енергетичні затрати у стані спокою називаються основним обміном енергії. Оскільки поняття спокою може трактуватися по-різному, то визначати величину основного обміну необхідно за наступних станда­ртних умов: 1) зранку; 2) натще (щоб виключити специфічно-динамічну дію їжі); 3) у стані фізичного та психічного спокою, лежачи; 4) за умови температурного комфорту (18-20 °С); 5) у стані неспання (під час сну рівень енергетичних затрат організму на 8-10% нижчий).

Навіть за дотримування вищезазначених умов рівень основного обміну в різних людей може відрізнятися. Насамперед це зумовлено різним рос­том, співвідношенням компонентів тіла (кісткового, м'язового, жирового), маси тіла, віку, статі, а також активністю механізмів регулювання обміну речовин. За стандартних умов величиною рівня основного обміну можна вважати 1300-1700 ккал/добу, або 1 ккал/кг/год (42 кдж/кг/год).

Майже половина величини основного обміну припадає на енергоспо­живання печінки і скелетних м'язів. У стані сну, за мінімального тонусу скелетних м'язів, обмін речовин стає нижчим, ніж рівень основного обміну. Під час голодування, коли функціональна активність печінки зни­жена, основний обмін також зменшується.

Інтенсивність основного обміну має добовий ритм коливань: зранку поступово зростає, а вночі - знижується.

У зв'язку з різною масою тіла доцільно визначати питому величину ос­новного обміну на 1 кг маси тіла. За Рубнером величину енергоутворення людей (або тварин) значно зручніше порівнювати, перераховуючи на оди­ницю поверхні тіла, а не на одиницю маси тіла. Він запропонував правило (правило Рубнера), згідно з яким рівень обмінних процесів пропорційний величині поверхні тієї частини тіла, де відбувається тепловіддача.

На тлі деяких захворювань, особливо пов'язаних з порушеннями функції щитоподібної залози, рівень основного обміну змінюється. У разі гіперфункції щитоподібної залози він збільшується, а на тлі гіпофункції -знижується.

Дата добавления: 2014-01-04