Обмен веществ и энергии как необходимое условие жизни. Этапы образования энергии

Обязательным условием существования организма человека, как и всех живых организмов, является постоянный обмен веществ и энергии с внешней средой. В ходе обмена веществ питательные вещества, богатые энергией, подвергаются химическим превращениям с выделением энергии, используемой организмом для обеспечения жизнедеятельности, а конечные продукты обмена веществ с низким содержанием энергии удаляются из клетки.

Обмен веществ, или метаболизм, делится на две основные группы процессов: ассимиляцию и диссимиляцию.

Ассимиляция, или анаболизм, – это процессы усвоения веществ, поступающих в организм из внешней среды, образование более сложных органических соединений из простых с запасанием энергии в макроэргических связях молекул АТФ.

Диссимиляция, или катаболизм, – это распад сложных органических веществ, входящих в состав клеточных структур, до более простых веществ, сопровождающееся выделением энергии.

Метаболизм жиров и углеводов служит главным образом для обеспечения физиологических функций (функциональный метаболизм), а метаболизм белков – для поддержания и изменения структуры организма (структурный метаболизм)

Схема 4. Энергия и обмен веществ

Жиры Белки Углеводы Биологическое окисление

Н2О + СО2 + АТФ + первичная теплота

Функциональный метаболизм (мышечные сокращения, активный транспорт веществ и т.д.)

Структурный метаболизм (синтез структурных элементов клеток и тканей)

В т о р и ч н а я т е п л о т а

Активное деятельное состояние Основной обмен

Этапы высвобождения и запасания энергии в организме. Общая продукция энергии в организме включает выделенную энергию, израсходованную на внешнюю работу (мышечные сокращения, активный транспорт веществ, работа сердца и т.д.), тепло-

продукцию и запасенную энергию (в химических связях молекул, в первую очередь в связях молекул АТФ). Свободная энергия для организма поступает лишь с пищей. Она аккумулирована в сложных химических связях белков, жиров и углеводов. Чтобы освободить эту энергию (в ходе реакций катаболизма), питательные вещества вначале подвергаются гидролизу, а потом окислению в аэробных и анаэробных процессах.

I этап – гидролиз в желудочно-кишечном тракте: выделяется не более 0,5 % свободной энергии, в результате чего образуется небольшое количество тепла, использующееся организмом для поддержания температуры тела.

II этап – процесс анаэробного окисления глюкозы до пировиноградной кислоты, в котором до 5 % свободной энергии аккумулируется в виде АТФ.

III этап – основной – процесс аэробного окисления глюкозы до СО2 и воды в цикле трикарбоновых кислот или цикле Кребса. В нем происходит утилизация 94,5 % всей энергии. При этом 52 – 54 % энергии накапливается в АТФ, остальная часть выделяется в виде первичной теплоты. Образовавшаяся АТФ используется для совершения полезной работы, и ее энергия выделяется в виде вторичной теплоты.

Цикл Кребса связывает между собой катаболические и анаболические стадии метаболизма, т.к. промежуточные продукты цикла Кребса используются для синтеза мономеров в ходе реакций анаболизма. Из этих мономеров синтезируются клеточные полимеры – белки, жиры, углеводы – и используется энергия, запасенная в связях молекул АТФ.

Таким образом, часть аккумулированной в химических связях молекул жиров, белков и углеводов энергии в процессе биологического окисления используется для синтеза АТФ, а другая часть этой энергии сразу превращается в теплоту – так называемая первичная теплота. В результате же функционального и структурного метаболизма происходят расходование запасенной энергии и выделение ее в виде вторичной теплоты, то есть вся свободная энергия в конечном итоге превращается в тепловую энергию. Поэтому, измеряя количество тепловой энергии, выделяемой организмом, можно определить его энергозатраты.

6.2. Методы измерения энергетических затрат

Если измерить все количество тепла, образовавшегося в организме за час или сутки, то это будет мерой суммарной энергии химических связей питательных веществ, подвергшихся за это время биологическому окислению. Так как в процессе биологического окисления используется кислород, то по его потребленному количеству можно судить о величине энергозатрат организма. Количество выделенного тепла определяют с помощью прямой или непрямой калориметрии.

Прямая калориметрия заключается в прямом измерении количества тепла, непосредственно выделенного организмом в теплоизолированной камере. Однако из-за громоздкости и сложности используемого при этом оборудования данный метод применяется редко.

Непрямая калориметрия основана на измерении количества потребленного кислорода и выделенного СО2. Зная эти величины, вычисляют дыхательный коэффициент. Дыхательный коэффициент – это отношение объема выделенного СО2 к объему поглощенного О2. Величина дыхательного коэффициента зависит от того, какие органические вещества подвергаются окислению. При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1, так как при полном окисления одной молекулы глюкозы используется одна молекула кислорода и выделяется одна молекула СО2. При окислении одной молекулы белков или одной молекулы жиров образуется меньше молекул СО2 в расчете на одну потребленную молекулу кислорода, поэтому дыхательный коэффициент белков составляет 0,8, а жиров – 0,7. Когда в организме одновременно окисляются белки, жиры и углеводы, то дыхательный коэффициент колеблется от 0,7 (окисление только жиров) до 1 (окисление одних углеводов), и составляет в среднем 0,85.

Потребление кислорода сопровождается выделением тепла. Калорический эквивалент кислорода – это количество тепла, образующегося в организме при потреблении им 1 л кислорода. Подсчитав дыхательный коэффициент на основе измерения количества потребленного кислорода и выделенного СО2, можно определить калорический эквивалент кислорода

Зависимость калорического эквивалента кислорода (ккал/л) от дыхательного коэффициента (Зинчук, 2005, см. 15) Затем величину калорического эквивалента кислорода умножают на количество потребленного кислорода и находят общее количество выделенного тепла или энергетические затраты организма в единицу времени. Так как при этом измеряют количество потребленного кислорода и выделенного СО2, то метод непрямой калориметрии носит также название метода полного газового анализа.

6.3. Основной обмен. Должный основной обмен.

Рабочая прибавка. Общие энергозатраты людей различных профессиональных групп

Основной обмен – это минимальный уровень энергозатрат, необходимый для поддержания жизнедеятельности организма в условиях физического и эмоционального покоя. Эта энергия затрачивается на осуществление функций нервной системы, синтез веществ, работу ионных насосов, поддержание температуры тела, работу дыхательной мускулатуры, сердца и почек. Основной обмен определяют утром в состоянии лежа, при максимальном расслаблении мышц, в состоянии бодрствования, при температуре 20 – 22 оС, натощак.

Величина основного обмена зависит от пола, возраста, роста, массы и площади поверхности тела, интенсивности метаболизма. Для взрослого человека основной обмен составляет примерно 1 ккал на 1 кг массы тела в час. У мужчин основной обмен в пересчете на единицу массы тела на 10 % больше, чем у женщин. Это связано с тем, что мужские половые гормоны оказывают стимулирующее действие на обменные процессы, а также с тем, что у мужчин относительно больше мышечной ткани и меньше жировой, чем у женщин. В среднем у мужчин основной обмен равен 1600 – 1700 ккал/сутки, у женщин – 1400 – 1500 ккал/сутки.

У детей процессы анаболизма преобладают над процесса

ми катаболизма, поэтому у них значения основного обмена больше, чем у взрослых (в среднем 1,8 ккал/кг/ч в 7 лет и 1,3 ккал/кг/ч в 12 лет).

Интенсивность основного обмена примерно на 50 % обусловлена расходами энергии на поддержание работы печени и покоящейся скелетной мускулатуры.

Должный основной обмен отражает норму основного обмена для конкретного индивидуума с учетом пола, возраста, роста и массы тела. Он определяется по специальным таблицам. Особенно сильно величина основного обмена зависит от площади поверхности тела. Закон Рубнера – закон поверхности тела: энергетические затраты теплокровного организма в покое прямо пропорциональны величине поверхности тела.

Реальная величина основного обмена может отличаться от должного основного обмена не более чем на 15 %. При гиперфункции щитовидной железы основной обмен может превышать норму на 20 % и более.

Общий обмен энергии включает в себя энергозатраты организма в условиях активной деятельности и состоит из основного обмена, рабочей прибавки и специфического динамического действия пищи.

Специфическое динамическое действие пищи включает в себя усиление интенсивности обмена веществ и увеличение энергозатрат под влиянием приема пищи. Проявляется в течение 1 – 3 часов после приема пищи.

Рабочая прибавка – это энергозатраты на выполнение любых видов работ, производимых организмом. Величина рабочей прибавки зависит от вида деятельности человека. Например, при тяжелой мышечной работе энергозатраты могут быть во много раз больше, чем в состоянии физического покоя, при легкой физической работе и умственном труде расходы энергии увеличиваются на 20 – 30 %.

Величина общего обмена энергии отражает степень физической активности человека. Если она низкая, то это свидетельствует о гипокинезии или гиподинамии: на этом фоне возрастает риск развития атеросклероза, ишемической болезни сердца, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки и т.д. По данным ВОЗ, для поддержания высокой работоспособности каждому человеку необходимо ежедневно не менее 20 мин заниматься какой-либо физически активной деятельностью.

По международной классификации, предельно допустимая по тяжести работа не должна превышать по энергозатратам уровень основного обмена больше, чем в 3 раза

Например, энергозатраты организма увеличиваются при умственной работе в сочетании с легкой мышечной деятельностью и психоэмоциональным напряжением на 15 – 19 % и более, исходя из чего у работников умственного труда средние суточные затраты энергии составляют 2400 – 2800 ккал/сутки. В то же время у студентов, учитывая более интенсивный метаболизм и высокий уровень психоэмоциональной нагрузки, среднесуточные затраты, как правило, превышают этот уровень (около 3000 ккал/сутки). Соответственно по энергозатратам выделяют следующие категории труда: легкий труд (2200 – 3300 ккал/сутки), средний (2350 – 3500), тяжелый (2500 – 3700) и очень тяжелый труд (более 3500 ккал/сутки). 6.4.

Должная, или идеальная, масса тела – это та, которая способствует поддержанию здоровья и максимальной продолжительности жизни.

Определение должной массы тела производят по специальным таблицам, или с помощью метода Брока, или на основе индекса Кетле.

По методу Брока массу рассчитывают, исходя из роста, однако при этом не учитываются пол, возраст и конституция:

Масса (кг) = рост – 100 (при росте до 165 см).

При росте 166 – 175 см: масса (кг) = рост – 105.

При росте больше 175 см: масса (кг) = рост – 110.

Индекс Кетле рассчитывают по формуле:

В норме индекс Кетле составляет 18,5 – 25.

2. Полное обеспечение потребностей организма в белках, жирах, углеводах, витаминах, минеральных элементах, воде и т.д.

Обязательно должны присутствовать достаточные количества незаменимых аминокислот и ненасыщенных жирных кислот. Согласно теории адекватного питания (А.М. Уголев):

1) питание поддерживает молекулярный состав и возмещает энергетические и пластические расходы организма на основной обмен, внешнюю работу и рост;

2) необходимыми компонентами пищи служат не только нутриенты, но и балластные вещества;

3) нормальное питание обеспечивается не только за счет потока питательных веществ из желудочно-кишечного тракта, но и наличием биологически активных веществ в организме, регулирующих метаболизм.

4) в процессах усвоения питательных веществ и образования некоторых биологически активных веществ важную роль играет микрофлора кишечника.

С точки зрения теории адекватного питания, идеальная пищаэто та пища, которая полезна данному человеку в данных условиях и адекватна состоянию человека.

3. Соблюдение регулярности и дробности питания. Наиболее оптимальным считается четырехразовое питание, однако в обычных условиях вполне приемлемо трехразовое питание: на завтрак 30 % калорийности, на обед 45 %, на ужин 25 %. Желательно, чтобы ужин был не позднее, чем за 2 – 3 часа до сна. Для того чтобы пищеварительная система работала наиболее эффективно, необходимо придерживаться режима питания, не спешить во время еды и тщательно пережевывать пищу. При склонности к излишней полноте рекомендуется питание небольшими порциями 5 – 6 раз в день

6.5. Характеристика продуктов питания.