Понятие об энергетическом обмене. Основной и общий обмен. Понятие обмена веществ. Основной и общий обмен Основной и общий обмен

Глава 14

ПРОЦЕСС ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ

Обмен энергии в организме

Терморегуляция

Общая характеристика обмена энергии. Основной обмен

Для жизнедеятельности организма необходима энергия. Она существует в нем в четырех основных формах: химической, механической, электрической и тепловой. Центральное место из этих форм принадлежит химической энергии (АТФ), которая может необратимо превращаться во все другие виды энергии. Таким образом, обмен энергии - это совокуп­ность процессов превращения различных форм энергии между собой, а также накопление и использование макроэргических соединений. Макроэргическими (высокоэнергетическими) соединениями называются биоло­гически активные органические соединения, обладающие непрочной хи­мической связью, при расщеплении которой выделяется достаточное ко­личество свободной энергии для совершения полезной работы в клетке: синтеза химических соединений, транспорта веществ против градиента их концентрации, мышечного сокращения и т.д.

Энергия расходуется на процессы синтеза клеток, на осуществление различных физиологических функций, на внешнюю работу, поддержание температуры тела и т.д. Продолжение жизни возможно лишь при постоян­ном пополнении запасов энергии, что и происходит благодаря приему пи­щи. При окислении 1 г жира в организме освобождается 9,3 ккал, 1 г белка и углеводов - соответственно по 4,1 ккал.

Килокалория (ккал) - количество тепла (энергии), необходимое для повышения температуры 1 кг воды на 1°С. Наибольшая часть освобож­дающейся в организме энергии переходит в тепловую и только одна пятая часть (20%) переходит в механическую энергию. В электрическую пре­вращается незначительная часть освобождающейся энергии. В конечном итоге все виды энергии отдаются в окружающую среду преимущественно в виде тепловой энергии.

Соотношение количества энергии, поступающей с пищей, и энергии, расходуемой организмом, называется энергетическим балансом. Он мо­жет быть положительным, равновесным и отрицательным. При избыточ­ном питании, превышающем действительные расходы энергии, энергети­ческий баланс положительный, происходит накопление энергетических запасов за счет увеличения массы жировой ткани. В условиях недостаточ­ного питания энергетический баланс отрицательный, запасы энергобога­тых веществ уменьшаются. Чтобы иметь представление о количестве рас­ходуемой организмом энергии, достаточно измерить количество тепла, которое выделяется во внешнюю среду.

Обмен энергии человека, или так называемый общий обмен, склады­вается из основного обмена и рабочей прибавки. Основной обмен - это минимальный уровень обмена веществ и энергетических затрат бодрст­вующего человека в состоянии мышечного и психического покоя, натощак и при температуре окружающей среды 18-20°С. Рабочая прибавка - это увеличение энергетических затрат организма при мышечной работе. Для мужчин среднего возраста (примерно 35 лет), среднего роста (примерно 170 см) и со средней массой тела (примерно 70 кг) основной обмен равен 1 ккал на 1 кг массы тела в час, или 1700 ккал в сутки. У женщин той же массы он примерно на 5-10% ниже. У детей он выше, чем у взрослых. В пожилом возрасте основной обмен снижается. В условиях основного об­мена энергия расходуется на поддержание жизнедеятельности организма, работу внутренних органов, поддержание температуры тела.

При лихорадочных заболеваниях (малярия, брюшной тиф, туберкулез и др.), гиперфункции щитовидной железы основной обмен может повы­шаться до 150%. При гипофункции гипофиза, щитовидной железы, поло­вых желез основной обмен понижается, усиливается отложение жира.

После приема пищи интенсивность обмена веществ и энергетические затраты организма увеличиваются по сравнению с их уровнем в условиях основного обмена. Это влияние принятой пищи на обмен веществ и энер­гозатраты получило название специфического динамического действия пищи. При белковой пище обмен увеличивается в среднем на 30%, при питании жирами и углеводами - на 15%.

У человека и животных при обычных условиях существования называют общим обменом.

Средний общий обмен у людей значительно выше, чем у животных. На 1 кг массы тела взрослый человек потребляет в течение жизни до 3 300 000 кДж, лошадь - 685000, собака - 690 000, корова - 592000 кДж. Из этого количества кДж на возобновление массы тела человек использует около 5%, лошадь и корова - 33%, собака - 35% (М. Рубнер). Следовательно, у человека на работу и теплообразование на каждый кг массы расходуется в течение жизни примерно 2 900 000 кДж, чего в несколько раз больше, чем у животных.

Обмен веществ при строго определенных условиях, позволяющий сравнивать обмен веществ у различных животных, называется основным.

Основной обмен - предельно низкий уровень обмена веществ, обеспечивающий жизнь человека при мышечном и умственном покое, натощак, в утренние часы, не менее чем через 12-14 ч после приема пищи, при нормальной температуре тела и температуре окружающей среды около 20-22 градусов.

Для каждого человека основной обмен - относительно постоянная величина. Основной обмен зависит от функционального состояния нервной системы, возраста, пола, роста и поверхности тела, физиологического состояния организма, времени года, а у животных также от вида и породы.

У животных основной обмен определяется при следующих условиях: 1) в состоянии относительного покоя, 2) при температуре, оптимальной для данного вида животных, 3) при относительно освобожденном от пищи пищеварительном канале.

Для сравнения основного обмена у различных животных организмов учитывают теплопроизводство в килоджоулях в 1 ч на 1 кг массы тела.

Основной обмен представляет собой наименьший уровень затрат энергии на поддержание основных процессов жизни в клетках, тканях и органах, на сокращения дыхательной мускулатуры, сердца, деятельность желез. При определении основного обмена следует учесть, что больше всего тепловой энергии освобождается при окислительных процессах в мускулатуре.

Средний основной обмен у здорового человека среднего возраста равен приблизительно 4,2 кДж в 1 ч на 1 кг массы тела.

Худые люди производят на 50% больше тепла на 1 кг массы, чем полные. Однако эта разница почти исчезает, если произвести расчет на 1 м 2 поверхности тела. Это позволило считать, что основной обмен веществ приблизительно пропорционален поверхности тела и не зависит от величины тела (правило Рубнера). Эта закономерность не подтвердилась. Оказалось, что обмен веществ зависит не только от поверхности, но и от величины тела животного, например, у лошади основной обмен на 1 м 2 почти в 2 раза больше, чем у крысы.

Интенсивность обмена веществ определяется главным образом активностью цитоплазмы, особенно мышечной деятельностью, а не величиной внешней поверхности, например, в первый год жизни вес ребенка увеличивается в 3 раза, а величина его наружной поверхности резко уменьшается (В. Н. Никитин, 1963).

Ведущая роль в регуляции уровня основного обмена веществ в соответствии с условиями существования принадлежит нервной системе.

Возрастные, суточные, климатические и другие изменения основною обмена

Основной обмен уменьшается с возрастом. Во всех возрастах у мужчин основной обмен больше, чем у женщин.

Во время сна основной обмен понижается до 13% вследствие полного расслабления скелетной мускулатуры. При повышении тела на 1°С основной обмен увеличивается в среднем на 10%. В жарком климате основной обмен ниже на 10-20%, и, наоборот, он значительно выше в холодном климате. Основной обмен зависит и от деятельности желез внутренней секреции, например, при увеличении функции щитовидной железы он значительно повышается, а при понижении функции гипофиза и щитовидной железы - резко понижается.

Специфически-динамическое действие пищи состоит в том, что после приема пищи увеличивается обмен веществ. Поэтому основной обмен определяется до приема нищи.

Специфически-динамическое действие особенно велико. При поступлении белков в организм основной обмен веществ увеличивается в среднем на 30%, и - в среднем на 4%. Специфически-динамическое действие пищевых веществ зависит от усиления окислительных процессов продуктами промежуточного обмена веществ. Незначительную роль играет и увеличение деятельности пищеварительного канала после поступления в него пищи. Так как обмен веществ регулируется нервной системой, то специфически-динамическое действие зависит от функций нервной системы и регулируется безусловными рефлексами.

У детей специфически-динамическое действие пищевых веществ выражено слабее, чем у взрослых.

Прием пищи повышает обмен веществ и условнорефлекторым путем.

Затрата энергии при работе

Рабочий обмен в течение дня намного выше основного обмена. Большая часть повышения расхода энергии - результат мышечной работы, меньшая - .

На мышечную работу расходуется сверх основного обмена. Этот расход тем больше, чем интенсивнее физический труд.

Расход энергии у человека в сутки при небольшом физическом труде равен 9211-11732 кДж, при физическом труде средней тяжести 11723-15073 кДж, при тяжелом физическом труде 150773-18841-30146 кДж. Расход энергии у студентов-физкультурников в среднем 16748 кДж.

Средний расход энергии в кДж на 1 кг массы тела во время (на - 3,9, лежания без сна - 4,63, чтения вслух - 6,3, печатания на машинке - 8,4, домашней работы - 7,55-12,6, спокойного бега по ровной дороге - 25,2, скоростного бега на 100 м - 189, ходьбы на лыжах со скоростью 12 км в 1 ч - 50,5, гребли - 10,5-25,2, езды на велосипеде - 14,7-37,8.

У человека расход энергии при умственном труде выше основною обмена на 2-3%, а если умственный труд сопровождается мышечной деятельностью при эмоциях (лектор, оратор, артист и т. д.), то расход энергии увеличивается на 10 - 20% в течение нескольких дней.

Что такое энергетический обмен?

Какие, на ваш взгляд, вещества дают больше энер¬гии - жиры, белки или углеводы?

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) - совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии.

При расщеплении 1 грамма белков выделяется 17,6 кДж (килоджоуль) энергии.

При расщеплении 1 грамма углеводов выделяется 17,6 кДж (килоджоуль) энергии. При расщеплении 1 грамма липидов выделяется 39,1 кДж либо 38,9 кДж (килоджоуль) энергии. Соответственно жиры дают больше энергии.

1. Что такое основной обмен? Почему он меньше общего?

Под основным обменом понимают энерготраты в стандартных условиях: у спокойно лежащего, но не спящего человека, утром натощак. Общий обмен кроме основного обмена включает еще энергограты на все другие виды деятельности, например на мышечную работу.

2. Чем объяснить, что у подростков основной обмен выше, чем у взрослых людей?

Скорость основного обмена уменьшается по мере взросления организма. Подросток - это еще ребенок. У детей скорость основного обмена выше, чем у взрослых, потому что быстрее проходят обменные реакции и двигательные процессы больше, а также гормоны.

3. Почему энергоёмкость пищи должна несколько превышать энергетические траты?

Потому что пища, которую мы поглощаем, усваивается не полностью, и она идет не только на энергию, но и на замену отмерших клеток.

4. Достаточно ли при составлении рациона учитывать только калорийность продуктов? Ответ обоснуйте.

Немецкий ученый Макс Рубнер установил важную закономерность. Белки, углеводы и жиры в энергетическом отношении взаимозаменяемы. Так, 1 г углеводов или 1 г белков при окислении дают 17,17 кДж, a 1г жира - 38,97 кДж. Значит, для того чтобы правильно составить рацион, надо знать, сколько килоджоулей было потрачено и сколько пищи необходимо съесть, чтобы компенсировать израсходованную энергию, т. е. надо знать энерготраты человека и энергоемкость (калорийность) пищи. Последняя величина показывает, сколько энергии может выделиться при ее окислении.

5. Как определяются нормы питания?

При составлении норм питания учитываются средние энерготраты за неделю и разовые нагрузки.

6. Проделайте опыт с задержкой дыхания до и после нагрузки. По таблице 5 определите, к какой категории людей вы бы смогли отнести себя. Ответьте на вопросы.

Почему после выполнения физической работы удаётся задержать дыхание на меньшее время, чем до неё?

Почему у тренированных людей меньше разница между временем задержки дыхания до и после работы?

При выполнении физической работы организм человека настраивается на специфический режим дыхания (быстро втянуть воздух, быстрее извлечь из него кислород и т.д., чтобы скорее снабжать органы и ткани кислородом). Чем интенсивнее работа, тем больше это проявляется. И необходимо некоторое время для адаптации к состоянию покоя и более равномерному дыханию, прежде чем удастся максимизировать вдох. У тренированных людей организм уже привык к нагрузкам, и экономит энергию. А организм обычного человека, в экстремальной ситуации, тратит очень много энергии.

Основной обмен- энергозатраты связаны с поддержанием минимально необходимого для жизни клеток уровня окислительных процессов и с деятельностью постоянно работающих органов и систем - дыхательной мускулатуры, сердца, почек, печени. Некоторая часть энергозатрат в условиях основного обмена связана с поддержанием мышечного тонуса. Освобождение в ходе всех этих процессов тепловой энергии обеспечивает ту теплопродукцию, которая необходима для поддержания температуры тела на постоянном уровне, как правило, превышающем температуру внешней среды.

Условия определения основного обмена: обследуемый должен находиться

1) в состоянии мышечного покоя (положение лежа с расслабленной мускулатурой), не подвергаясь раздражениям, вызывающим эмоциональное напряжение;

2) натощак, т. е. через 12- 16 ч после приема пищи;

3) при внешней температуре «комфорта» (18-20 °С), не вызывающей ощущения холода или жары.

Основной обмен определяют в состоянии бодрствования. Во время сна уровень окислительных процессов и, следовательно, энергетических затрат организма на 8-10 % ниже, чем в состоянии покоя при бодрствовании.

Методы определения основного обмена:

Прямая, непрямая калориметрия;

По уравнениям с учетом пола, возраста, роста, массы тела с помощью специальных таблиц.

Нормальные величины основного обмена человека. Величину основного обмена обычно выражают количеством тепла в килоджоулях (килокалориях) на 1 кг массы тела или на 1 м2 поверхности тела за 1 ч или за одни сутки.

Для мужчины среднего возраста (примерно 35 лет), среднего роста (примерно 165 см) и со средней массой тела (примерно 70 кг) основной обмен равен 4,19 кДж (1 ккал) на 1 кг массы тела в час, или 7117 кДж (1700 ккал) в сутки, для женщин около 15ОО ккал/сут. У женщин на 5-1О% ниже, чем у мужчин. У детей выше, чем у взрослых. У стариков ниже на 1О-15%. .

3.Потенциал действия и его фазы. Ионные механизмы возбуждения, Изменения проницаемости клеточной мембраны при возбуждении.

Потенциал действия - это кратковременное изменение разности потенциала между наружной и внутренней поверхностями мембраны (или между двумя точками ткани), возникающее в момент возбуждения. При регистрации потенциала действия с помощью микроэлектродной техники наблюдается типичный пикообразный потенциал. В нем выделяют следующие фазы или компоненты:

Локальный ответ - начальный этап деполяризации.

Фазу деполяризации - быстрое снижение мембранного потенциала до нуля и перезарядка мембраны (реверсия, или овершут).

Фазу реполяризации - восстановление исходного уровня мембранного потенциала; в ней выделяют фазу быстрой реполяризации и фазу медленной реполяризации, в свою очередь, фаза медленной реполяризации представлена следовыми процессами (потенциалами):следовая негативность (следовая деполяризация) и следовая позитивность (следовая гиперполяризация). Амплитудно-временные характеристики потенциала действия нерва, скелетной мышцы таковы: амплитуда потенциала действия 140-150 мВ; длительность пика потенциала действия (фаза деполяризации + фаза реполяризации) составляет 1-2 мс, длительность следовых потенциалов - 10-50 мс. Форма потенциала действия (при внутриклеточном отведении) зависит от вида возбудимой ткани: у аксона нейрона, скелетной мышцы - пикообразные потенциалы, у гладких мышц в одних случаях пикообразные, в других - платообразные (например, потенциал действия гладких мышц матки беременной женщины - платообразный, а длительность его составляет почти 1 минуту). У сердечной мышцы потенциал действия имеет платообразную форму.

Во внеклеточной жидкости высока концентрация ионов натрия и хлора, во внутриклеточной жидкости – ионов калия и органических соединений. В состоянии относительного физиологического покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для катионов калия, чуть хуже для анионов хлора, практически непроницаема для катионов натрия и совершенно непроницаема для анионов органических соединений. В покое ионы калия без затрат энергии выходят в область меньшей концентрации (на наружную поверхность клеточной мембраны), неся с собой положительный заряд.

Ионы хлора проникают внутрь клетки, неся отрицательный заряд. Ионы натрия продолжают оставаться на наружной поверхности мембраны, еще больше усиливая положительный заряд.

Ионный механизм возбуждения:

В основе потенциала действия лежат последовательно развивающиеся во времени изменения ионной проницаемости клеточной мембраны. При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для ионов Na+ резко повышается за счет активации натриевых каналов. При этом ионы Na+ по концентрационному градиенту интенсивно перемещаются извне-во внутриклеточное пространство. Вхождению ионов Na+ в клетку способствует и электростатическое взаимодействие. В итоге проницаемость мембраны для Na+ становится в 20 раз больше проницаемости для ионов К+.

Поскольку поток Na+ в клетку начинает превышать калиевый ток из клетки, то происходит постепенное снижение потенциала покоя, приводящее к реверсии - изменению знака мембранного потенциала. При этом внутренняя поверхность мембраны становится положительной по отношению к ее внешней поверхности. Указанные изменения мембранного потенциала соответствуют восходящей фазе потенциала действия (фазе деполяризации). Мембрана характеризуется повышенной проницаемостью для ионов Na+ лишь очень короткое время 0.2 - 0.5 мс. После этого проницаемость мембраны для ионов Na+ вновь понижается, а для К+ возрастает. В результате поток Na+ внутрь клетки резко ослабляется, а ток К+ из клетки усиливается. В течение потенциала действия в клетку поступает значительное количество Na+, а ионы К+ покидают клетку. Восстановление клеточного ионного баланса осуществляется благодаря работе Na+, К+ - АТФазного насоса, активность которого возрастает при повышении внутренней концентрации ионов Na+ и увеличении внешней концентрации ионов К+.

Благодаря работе ионного насоса и изменению проницаемости мембраны для Na+ и К+ первоначальная их концентрация во внутри - и внеклеточном пространстве постепенно восстанавливается.Итогом этих процессов и является реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к внешней поверхности мембраны.

БИЛЕТ 24

Все пищевые вещества обладают определенным запасом энергии. Организм называют трансформатором энергии, ибо в нем постоянно происходят специфические превращения питательных веществ, приводящие к освобождению энергии и переходу ее из одного вида в другой. Соотношение между количеством энергии, получаемой с пищей, и количеством затрачиваемой энергии носит название энергетического баланса организма . Для его изучения необходимо определение энергетической ценности пищи.

Исследования показали, что каждый грамм полисахаридов и белков дает 17,2 кДж. При распаде грамма жиров освобождается 38,96 кДж. Отсюда следует, что энергетическая ценность различных продуктов питания неодинакова и зависит от того, какие в данном продукте содержатся питательные вещества. Так, например, энергетическая ценность орехов оказывается равной 2723,5 кДж, сливочного масла – 3322,2 кДж и т. д. Энергетическая ценность пищевых веществ не всегда совпадает с их физиологической ценностью, ибо последняя еще определяется способностью к усвоению. Пищевые вещества животного происхождения усваиваются лучше, чем растительного.

Количество энергии, освобождающееся в организме, зависит от химических превращений веществ в нем, т. е. от обменных процессов. Отсюда следует, что количество тепла, выделенное организмом, может служить показателем обмена веществ. Определение количества тепла, т. е. количества калорий, выделенных организмом, дает всю сумму энергетических превращений в виде конечного теплового итога. Такой способ определения энергии носит название прямой калориметрии. Определение количества калорий методом прямой калориметрии производится с помощью калориметрической камеры, или калориметра.

Все эти определения можно произвести гораздо проще, изучая газообмен. Определение количества энергии, выделенной организмом, с помощью изучения газообмена, получило название непрямой калориметрии. Зная, что все количество энергии, выделяемой в организме, есть результат распада белков, жиров и углеводов, зная также, какое количество энергии выделяется при распаде этих веществ, и какое количество их подверглось распаду за определенный промежуток времени, можно вычислить количество освобождающейся энергии.

Различают общий обмен веществ и основной обмен веществ. Основным обменом называется энергетические затраты организма в условиях покоя, связанные с поддержанием минимального уровня обменных процессов, необходимого для жизнедеятельности клеток. Основной обмен определяют в состоянии мышечного покоя – лежа, через 12 – 16 часов после еды при температуре 18 – 20°С. В этих условиях энергия тратится на работу сердца, дыхание, поддержание температуры тела и т. д. Но эта затрата энергии невелика. Главные затраты при определении основного обмена связаны с биохимическими процессами, всегда имеющими место в живых клетках. Величина основного обмена составляет от 4200 до 8400 кДж в сутки для мужчин и от 4 200 до 7 140 кДж – для женщин. В среднем у человека среднего возраста основной обмен составляет 4187 Дж на 1 кг массы в час или 7140 – 7560 тыс. Дж в сутки. У детей 8 – 9 лет основной обмен в 2 – 2,5 раза больше, чем у взрослого.

Чем меньше ребенок, тем больше расходуется энергии на его рост. Так, в возрасте 3 месяцев расход энергии составляет 36%, в 6 месяцев – 26%, 10 месяцев – 21% общей энергетической ценности пищи.

В дошкольном и младшем школьном возрасте отмечается соответствие интенсивности снижения основного обмена и динамики ростовых процессов: чем больше скорость относительного роста, тем значительнее изменения обмена покоя.

Величина основного обмена у девочек несколько ниже, чем у мальчиков. Это различие начинает проявляться во второй половине первого года жизни.

Второй после основного обмена составляющей энерготрат организма являются так называемые регулируемые затраты энергии . Они соответствуют потребности энергии, используемой на работу сверх основного обмена. Любой вид мышечной деятельности, даже изменение положения тела (из положения лежа в положение сидя), увеличивает энергозатраты организма. Изменение величины потребления энергии определяется продолжительностью, интенсивностью и характером мышечной работы. Увеличение обмена тем значительней, чем интенсивнее была мышечная нагрузка. В связи с этим работники различных профессий тратят неодинаковое количество энергии в сутки (от 12 600 до 21 000 кДж). Умственная работа вызывает незначительное повышение обмена веществ: всего на 2 – 3%. Всякие эмоциональные возбуждения неизбежно приводят к повышению обмена веществ. Обмен веществ изменяется и под влиянием приема пищи. После приема пищи обмен возрастает на 10 – 40%. Влияние пищи на обмен веществ не зависит от деятельности желудочно-кишечного тракта, оно обусловлено специфическим действием пищи на обмен. В связи с этим и принято говорить о специфическо-динамическом действии пищи на обмен, понимая под этим его увеличение после принятия пищи.